Recientemente, Profesor Jiang Ying del Centro Internacional de Materiales Cuánticos y Centro de Investigación de Materiales Avanzados de Elementos Ligeros de la Universidad de Pekín, en colaboración con el profesor Jörg Wrachtrup de la Universidad de Stuttgart y el profesor Yang Sen de la Universidad China de Hong Kong, ha desarrollado un microscopio de detección cuántica de barrido utilizando un bit cuántico de estado sólido (qubit), centro de vacantes de nitrógeno (NV), como el sensor cuántico. Ellos tienen, por primera vez, realizó imágenes de campo eléctrico a nanoescala basadas en NV y su control de estado de carga, demostrando la posibilidad de escanear electrometría NV. Este trabajo, titulado "Imágenes de campo eléctrico a nanoescala basadas en un sensor cuántico y su control del estado de carga en condiciones ambientales, "ha sido publicado en Comunicaciones de la naturaleza .

El centro de vacancia de nitrógeno (NV) es un defecto puntual alojado en el diamante, que es considerado como uno de los qubit de estado sólido más prometedores para la computación cuántica, información cuántica y detección cuántica. El NV se ha aplicado como un potente sensor cuántico para detectar señales magnéticas / eléctricas sutiles de manera cuantitativa, basado en el seguimiento de la evolución coherente de su estado cuántico durante su interacción con el entorno circundante. Dado que el NV tiene un tiempo de coherencia prolongado de hasta ~ ms incluso en condiciones ambientales, la sensibilidad de NV es excepcionalmente alta, incluso permitiendo detectar un solo espín nuclear / electrónico. Al integrar el NV poco profundo con el microscopio de sonda de barrido (SPM), se puede construir magnetometría de barrido y realizar imágenes magnéticas cuantitativas a nanoescala. Sin embargo, el mapeo del campo eléctrico a nanoescala no se ha logrado hasta ahora debido a la fuerza de acoplamiento relativamente débil entre NV y el campo eléctrico, lo que lleva a los estrictos requisitos tanto de coherencia de NV poco profundos como de estabilidad del sistema SPM.

El profesor Jiang Ying y su grupo se han dedicado durante mucho tiempo al desarrollo de sistemas avanzados de SPM. Recientemente, han desarrollado un microscopio de fuerza atómica (AFM) basado en qPlus de nueva generación, lo que lleva la resolución y la sensibilidad de SPM al límite clásico y permite la formación de imágenes directas del átomo de hidrógeno en las moléculas de agua. Sobre esta base, este grupo integró la tecnología de detección cuántica basada en NV en un sistema SPM basado en qPlus, dando como resultado el llamado microscopio de detección cuántica de barrido. Debido a la estabilidad ultra alta del sensor qPlus, puede funcionar con una amplitud muy pequeña (~ 100 pm) a una distancia cercana de la superficie de la punta de ~ 1 nm, que es fundamental para mantener la buena coherencia y resolución de NV poco profundos. Utilizando el único NV poco profundo, el equipo pudo mapear el campo eléctrico local a partir de una punta de metal sesgada con una resolución espacial de ~ 10 nm y una sensibilidad cercana a una carga elemental. En el futuro, esta técnica se puede aplicar para investigar el cargo local, polarización y respuesta dieléctrica de los materiales funcionales desde una vista microscópica.

Usando este nuevo sistema, el equipo también se dio cuenta del control reversible de los estados de carga de un solo NV (NV ^ˉ , Nevada ⁺ y NV ⁰ ), donde NV ^ˉ se utiliza como sensor cuántico, mientras que NV ⁺ y NV ⁰ son bloques de construcción básicos del almacenamiento cuántico para mejorar la relación señal / ruido de la detección cuántica. Los investigadores encontraron que, con la ayuda de la ionización de fotones por el láser de excitación, El campo eléctrico local de una punta polarizada aguda se puede aplicar para lograr la polarización / despolarización local de la superficie del diamante e inducir el cambio de estado de carga de NV con precisión a nanoescala (hasta 4,6 nm). Este hallazgo ayudará a purificar el entorno electrostático inmediato de NV, mejorar la coherencia de NV y construir redes cuánticas basadas en NV.