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近日，一個(gè)澳大利亞團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的量子顯微鏡原型——“自旋傳感器”，已被證明可以創(chuàng)建不同物理量的高分辨率地圖。這項(xiàng)研究成果以《使用范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的量子顯微鏡》為題[1]，發(fā)表在《自然-物理學(xué)》上。

這項(xiàng)工作由悉尼科技大學(xué)（UTS）的Igor Aharonovich教授和**墨爾本理工大學(xué)（RMIT）的Jean-Philippe Tetienne博士領(lǐng)導(dǎo)。

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量子顯微鏡：高精度探索材料特性、物理過(guò)程

顯微鏡自發(fā)明以來(lái)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

我們并不確切知道誰(shuí)是**臺(tái)顯微鏡的制造者，但是荷蘭眼鏡制造商Zacharias Janssen被認(rèn)為制造了ZUI早的顯微鏡之一，該顯微鏡在1600年左右使用了兩個(gè)鏡頭。ZUI早的顯微鏡可以將一個(gè)物體放大到正常尺寸的20或30倍。

隨著技術(shù)的發(fā)展，顯微鏡在放大微小的物體方面變得更好，但它們受到所使用的光波長(zhǎng)的限制。小于一微米（一百萬(wàn)分之一米）的物體在尺寸上太接近可見(jiàn)光的波長(zhǎng)，在傳統(tǒng)顯微鏡中無(wú)法看到。

進(jìn)入電子顯微鏡時(shí)代后，電子的波長(zhǎng)約為一百億分之一米：ZUI好的電子顯微鏡可以顯示明顯的細(xì)節(jié)。但是，與量子顯微鏡不同，它們不能告訴我們太多的物理特性，如電場(chǎng)和磁場(chǎng)。

固體自旋傳感器有能力作為量子顯微鏡來(lái)探測(cè)材料特性和物理過(guò)程。量子顯微鏡是存在的，但它們依賴于存在于笨重的三維晶體中的缺陷，如金剛石。在這些材料中，自旋傳感器在接近被研究的樣品方面受到限制。因此在實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)展示了一個(gè)多功能的量子顯微鏡，使用嵌入在范德華材料六方氮化硼(hBN)的薄層中的“點(diǎn)”缺陷。

六方氮化硼(hBN)薄層

02

基于范德華材料的量子顯微鏡：效用拓展至二維領(lǐng)域

Aharonovich教授說(shuō)[2]，這種新方法的獨(dú)特性在于使用一種叫做六方氮化硼（hBN）的晶體的單原子薄層，它被稱為范德華材料。

范德華材料在兩個(gè)維度上有很強(qiáng)的結(jié)合力，在第三個(gè)維度上通過(guò)較弱的力結(jié)合，這意味著個(gè)別的層——石墨烯層，可以被剝離并用于許多不同的應(yīng)用中?！斑@種范德華材料由強(qiáng)粘合的二維層組成，可以做得非常薄、并符合任意粗糙的表面，從而實(shí)現(xiàn)高分辨率的靈敏度?！盇haronovich說(shuō)道。

“這些特性使我們產(chǎn)生了使用‘量子活性’hBN箔來(lái)進(jìn)行量子顯微鏡的想法，這本質(zhì)上是一種成像技術(shù)——利用量子傳感器的陣列來(lái)創(chuàng)建它們所敏感的數(shù)量的空間圖?！盩etienne補(bǔ)充說(shuō)：“到目前為止，量子顯微鏡在空間分辨率和應(yīng)用的靈活性方面一直受到使用笨重的三維傳感器所固有的接口問(wèn)題的限制。通過(guò)利用范德華傳感器，我們希望將量子顯微鏡的效用擴(kuò)展到以前無(wú)法進(jìn)入的領(lǐng)域?！?/span>

該團(tuán)隊(duì)在一種鐵磁性范德華材料上測(cè)試了他們的原型：一種二碲化鉻（CrTe2）晶體的薄片?；趆BN的量子顯微鏡能夠?qū)﹁F磁體的磁疇（magnetic domains）進(jìn)行成像，在室溫下以納米級(jí)的距離接近傳感器。hBN的獨(dú)特屬性使研究人員也能記錄溫度圖，這證實(shí)了顯微鏡可以將兩個(gè)不同物理量之間的圖像聯(lián)系起來(lái)。六角氮化硼量子傳感器與其他范德華材料的直接整合將為二維器件的設(shè)計(jì)和測(cè)量帶來(lái)巨大的實(shí)際好處。

帶有hBN自旋缺陷的量子顯微鏡

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實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分辨率，可用于遙感、成像

作者指出，他們的量子顯微鏡的分辨率受到光的衍射的限制，在他們的結(jié)果中約為1微米；但他們補(bǔ)充說(shuō)，這在原則上可以銳化到10納米左右。“在這一點(diǎn)上，我們所談?wù)摰牟辉偈秋@微鏡，而是納米鏡。”

“這種新一代的量子顯微鏡有巨大的潛力，”UTS高JI研究員Mehran Kianinia博士說(shuō)：“它不僅可以在室溫下操作，并同時(shí)提供溫度、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的信息，而且可以無(wú)縫集成到納米級(jí)設(shè)備中，并能承受非常惡劣的環(huán)境，因?yàn)閔BN是一種非常堅(jiān)硬的材料?！?/span>

“未來(lái)的主要應(yīng)用包括高分辨率的MRI（磁共振成像）和NMR（核磁共振），可用于研究化學(xué)反應(yīng)和識(shí)別分子起源，以及在空間、國(guó)防和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，其中遙感和成像是關(guān)鍵?！?/span>

參考鏈接：

[1]https://cosmosmagazine.com/science/physics/quantum-microscope-prototype/

[2]https://cosmosmagazine.com/science/physics/quantum-microscope-prototype/

原文章鏈接：https://view.inews.qq.com/a/20221108A07PKL00

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