Recentemente, Professor Jiang Ying do Centro Internacional de Materiais Quânticos e Centro de Pesquisa de Materiais Avançados de Elemento de Luz da Universidade de Pequim, em colaboração com o Professor Jörg Wrachtrup da Universidade de Stuttgart e o Professor Yang Sen da Universidade Chinesa de Hong Kong, desenvolveu um microscópio de detecção quântica de varredura usando um bit quântico de estado sólido (qubit), centro de vacância de nitrogênio (NV), como o sensor quântico. Eles têm, pela primeira vez, realizou imagem de campo elétrico em nanoescala baseada em NV e seu controle de estado de carga, demonstrando a possibilidade de varredura de eletrometria NV. Este trabalho, intitulado "Imagens de campo elétrico em nanoescala com base em um sensor quântico e seu controle de estado de carga em condições ambientais, "foi publicado em Nature Communications .

O centro de vacância de nitrogênio (NV) é um defeito pontual hospedado no diamante, que é considerado um dos qubit de estado sólido mais promissores para computação quântica, informação quântica e detecção quântica. O NV foi aplicado como um sensor quântico poderoso para detectar sinais magnéticos / elétricos sutis de maneira quantitativa, com base no monitoramento da evolução coerente de seu estado quântico durante sua interação com o ambiente circundante. Uma vez que o NV tem um longo tempo de coerência de até ~ ms, mesmo sob condições ambientais, a sensibilidade de NV é excepcionalmente alta, mesmo permitindo detectar spin único nuclear / elétron. Ao integrar o NV raso com microscópio de sonda de varredura (SPM), pode-se construir magnetometria de varredura e realizar imagens magnéticas quantitativas em nanoescala. Contudo, o mapeamento de campo elétrico em nanoescala não foi alcançado até agora por causa da força de acoplamento relativamente fraca entre NV e o campo elétrico, levando a requisitos rigorosos tanto na coerência de NV rasos quanto na estabilidade do sistema SPM.

O professor Jiang Ying e seu grupo há muito tempo se dedicam ao desenvolvimento de sistemas SPM avançados. Recentemente, eles desenvolveram um microscópio de força atômica baseado em qPlus (AFM) de nova geração, que empurra a resolução e sensibilidade do SPM para o limite clássico e permite a imagem direta do átomo de hidrogênio em moléculas de água. Nesta base, este grupo integrou a tecnologia de detecção quântica baseada em NV em um sistema SPM baseado em qPlus, resultando no chamado microscópio de detecção quântica de varredura. Devido à estabilidade ultra-alta do sensor qPlus, pode trabalhar com amplitude muito pequena (~ 100 pm) a uma distância próxima da superfície da ponta de ~ 1 nm, o que é crítico para manter a boa coerência e resolução de NV rasos. Usando o único NV raso, a equipe foi capaz de mapear o campo elétrico local de uma ponta de metal enviesada com uma resolução espacial de ~ 10 nm e uma sensibilidade próxima a uma carga elementar. No futuro, esta técnica pode ser aplicada para investigar a cobrança local, polarização e resposta dielétrica dos materiais funcionais do ponto de vista microscópico.

Usando este novo sistema, a equipe também percebeu o controle reversível dos estados de carga do NV único (NV ^ˉ , NV ⁺ e NV ⁰ ), onde NV ^ˉ é usado como o sensor quântico, enquanto NV ⁺ e NV ⁰ são blocos de construção básicos de armazenamento quântico para melhorar a relação sinal-ruído de detecção quântica. Os pesquisadores descobriram que, com o auxílio da ionização de fótons pelo laser de excitação, o campo elétrico local de uma ponta polarizada afiada pode ser aplicado para alcançar a polarização / despolarização local da superfície do diamante e induzir a troca de estado de carga de NV com precisão em nanoescala (até 4,6 nm). Esta descoberta ajudará a purificar o ambiente eletrostático imediato da NV, melhorar a coerência NV e construir redes quânticas baseadas em NV.