Récemment, Professeur Jiang Ying du Centre international des matériaux quantiques et du Centre de recherche sur les matériaux avancés des éléments légers de l'Université de Pékin, en collaboration avec le professeur Jörg Wrachtrup de l'Université de Stuttgart et le professeur Yang Sen de l'Université chinoise de Hong Kong, a développé un microscope à détection quantique à balayage en utilisant un bit quantique à l'état solide (qubit), centre de vacance d'azote (NV), comme capteur quantique. Ils ont, pour la première fois, réalisé une imagerie de champ électrique à l'échelle nanométrique basée sur la NV et son contrôle de l'état de charge, démontrant la possibilité de scanner l'électrométrie NV. Ce travail, intitulé "Imagerie de champ électrique à l'échelle nanométrique basée sur un capteur quantique et son contrôle de l'état de charge dans des conditions ambiantes, " a été publié dans Communication Nature .

Le centre de manque d'azote (NV) est un défaut ponctuel hébergé dans le diamant, qui est considéré comme l'un des qubits à l'état solide les plus prometteurs pour le calcul quantique, information quantique et détection quantique. Le NV a été appliqué comme un puissant capteur quantique pour détecter des signaux magnétiques/électriques subtils de manière quantitative, basé sur le suivi de l'évolution cohérente de son état quantique au cours de son interaction avec le milieu environnant. Étant donné que la NV a un temps de cohérence long jusqu'à ~ms même dans des conditions ambiantes, la sensibilité de NV est exceptionnellement élevée, permettant même de détecter un seul spin nucléaire/électron. En intégrant le NV peu profond avec le microscope à sonde à balayage (SPM), on peut construire une magnétométrie à balayage et réaliser une imagerie magnétique quantitative à l'échelle nanométrique. Cependant, la cartographie du champ électrique à l'échelle nanométrique n'a pas été réalisée jusqu'à présent en raison de la force de couplage relativement faible entre la NV et le champ électrique, conduisant à des exigences strictes à la fois sur la cohérence de la NV peu profonde et la stabilité du système SPM.

Le professeur Jiang Ying et son groupe se consacrent depuis longtemps au développement de systèmes SPM avancés. Récemment, ils ont développé un microscope à force atomique (AFM) basé sur qPlus de nouvelle génération, qui pousse la résolution et la sensibilité de SPM à la limite classique et permet l'imagerie directe de l'atome d'hydrogène dans les molécules d'eau. Sur cette base, ce groupe a intégré la technologie de détection quantique basée sur NV dans un système SPM basé sur qPlus, résultant en ce qu'on appelle le microscope à détection quantique à balayage. En raison de la stabilité ultra-élevée du capteur qPlus, il peut fonctionner avec une très petite amplitude (~100 pm) à une distance de pointe-surface proche de ~1 nm, ce qui est essentiel pour maintenir la bonne cohérence et la bonne résolution de la NV peu profonde. En utilisant le seul NV peu profond, l'équipe a pu cartographier le champ électrique local à partir d'une pointe métallique polarisée avec une résolution spatiale d'environ 10 nm et une sensibilité proche d'une charge élémentaire. À l'avenir, cette technique peut être appliquée pour étudier la charge locale, polarisation et réponse diélectrique des matériaux fonctionnels d'un point de vue microscopique.

Grâce à ce nouveau système, l'équipe a également réalisé le contrôle réversible des états de charge d'un seul NV (NV ^?? , NV ⁺ et NV ⁰ ), où NV ^?? est utilisé comme capteur quantique, tandis que NV ⁺ et NV ⁰ sont des éléments de base du stockage quantique pour améliorer le rapport signal/bruit de la détection quantique. Les chercheurs ont découvert que, à l'aide de l'ionisation des photons par le laser d'excitation, le champ électrique local d'une pointe polarisée pointue peut être appliqué pour obtenir la polarisation/dépolarisation locale de la surface du diamant et induire le changement d'état de charge de NV avec une précision à l'échelle nanométrique (jusqu'à 4,6 nm). Cette découverte contribuera à purifier l'environnement électrostatique immédiat de NV, améliorer la cohérence NV et construire des réseaux quantiques basés sur NV.