文章来源：光子盒 光子盒研究院出品
近日，一个澳大利亚团队开发的量子显微镜原型——“自旋传感器”，已被证明可以创建不同物理量的高分辨率地图。这项研究成果以《使用范德华异质结构的量子显微镜》为题[1]，发表在《自然-物理学》上。
这项工作由悉尼科技大学（UTS）的Igor Aharonovich教授和**墨尔本理工大学（RMIT）的Jean-Philippe Tetienne博士领导。
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量子显微镜：高精度探索材料特性、物理过程
显微镜自发明以来已经有了长足的进步。
我们并不确切知道谁是**台显微镜的制造者，但是荷兰眼镜制造商Zacharias Janssen被认为制造了ZUI早的显微镜之一，该显微镜在1600年左右使用了两个镜头。ZUI早的显微镜可以将一个物体放大到正常尺寸的20或30倍。
随着技术的发展，显微镜在放大微小的物体方面变得更好，但它们受到所使用的光波长的限制。小于一微米（一百万分之一米）的物体在尺寸上太接近可见光的波长，在传统显微镜中无法看到。
进入电子显微镜时代后，电子的波长约为一百亿分之一米：ZUI好的电子显微镜可以显示明显的细节。但是，与量子显微镜不同，它们不能告诉我们太多的物理特性，如电场和磁场。
固体自旋传感器有能力作为量子显微镜来探测材料特性和物理过程。量子显微镜是存在的，但它们依赖于存在于笨重的三维晶体中的缺陷，如金刚石。在这些材料中，自旋传感器在接近被研究的样品方面受到限制。因此在实验中，团队展示了一个多功能的量子显微镜，使用嵌入在范德华材料六方氮化硼(hBN)的薄层中的“点”缺陷。
六方氮化硼(hBN)薄层
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基于范德华材料的量子显微镜：效用拓展至二维领域
Aharonovich教授说[2]，这种新方法的独特性在于使用一种叫做六方氮化硼（hBN）的晶体的单原子薄层，它被称为范德华材料。
范德华材料在两个维度上有很强的结合力，在第三个维度上通过较弱的力结合，这意味着个别的层——石墨烯层，可以被剥离并用于许多不同的应用中。“这种范德华材料由强粘合的二维层组成，可以做得非常薄、并符合任意粗糙的表面，从而实现高分辨率的灵敏度。”Aharonovich说道。
“这些特性使我们产生了使用‘量子活性’hBN箔来进行量子显微镜的想法，这本质上是一种成像技术——利用量子传感器的阵列来创建它们所敏感的数量的空间图。”Tetienne补充说：“到目前为止，量子显微镜在空间分辨率和应用的灵活性方面一直受到使用笨重的三维传感器所固有的接口问题的限制。通过利用范德华传感器，我们希望将量子显微镜的效用扩展到以前无法进入的领域。”
该团队在一种铁磁性范德华材料上测试了他们的原型：一种二碲化铬（CrTe2）晶体的薄片。基于hBN的量子显微镜能够对铁磁体的磁畴（magnetic domains）进行成像，在室温下以纳米级的距离接近传感器。hBN的独特属性使研究人员也能记录温度图，这证实了显微镜可以将两个不同物理量之间的图像联系起来。六角氮化硼量子传感器与其他范德华材料的直接整合将为二维器件的设计和测量带来巨大的实际好处。
带有hBN自旋缺陷的量子显微镜
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实现纳米级分辨率，可用于遥感、成像
作者指出，他们的量子显微镜的分辨率受到光的衍射的限制，在他们的结果中约为1微米；但他们补充说，这在原则上可以锐化到10纳米左右。“在这一点上，我们所谈论的不再是显微镜，而是纳米镜。”
“这种新一代的量子显微镜有巨大的潜力，”UTS高JI研究员Mehran Kianinia博士说：“它不仅可以在室温下操作，并同时提供温度、电场和磁场的信息，而且可以无缝集成到纳米级设备中，并能承受非常恶劣的环境，因为hBN是一种非常坚硬的材料。”
“未来的主要应用包括高分辨率的MRI（磁共振成像）和NMR（核磁共振），可用于研究化学反应和识别分子起源，以及在空间、国防和农业领域的应用，其中遥感和成像是关键。”
参考链接：
[1]https://cosmosmagazine.com/science/physics/quantum-microscope-prototype/
[2]https://cosmosmagazine.com/science/physics/quantum-microscope-prototype/
原文章链接：https://view.inews.qq.com/a/20221108A07PKL00
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