中國科學技術大學郭光燦院士團隊在奈米尺度量子感測研究中取得重要進展。該團隊孫方穩教授課題組將量子感測技術與光學超分辨成像技術相結合，研究奈米尺度電磁場的超小局域和高精度探測，實驗實現了百萬分之一波長尺度電磁場局域。基於該發現，進一步將局域電磁場能量和與物質相互作用強度分別提升了8個和4個量級。該成果以“Focusing the electromagnetic field to 10−6λ for ultra-high enhancement of field-matter interaction”為題，於11月4日發表在國際知名期刊《自然·通訊》上。
一般情況下，電磁波因為其波動性，最小可以被束縛在其波長範圍內。然而，為了追求與物質的強相互作用，奈米科學需要實現更小尺度的電磁場局域和檢測，推動奈米加工，資訊儲存，生物感測，微波光子學和量子資訊等技術的發展。當前，基於倏逝場耦合，已經可以實現亞波長尺度的電磁場局域，並在微納光電子等領域得到廣泛應用。此外，高空間解析度的電磁場有效探測也制約著奈米尺度電磁場與物質相互作用的機理研究和應用發展。
孫方穩課題組一直致力於利用量子感測技術實現微納電磁場的高精度探測。基於金剛石氮-空位系統，提出並發展了超低泵浦功率的電荷態耗盡奈米成像術，實現了4.1奈米空間解析度的成像和量子態調控（Light: Science &Applications4, e230(2015)；Phys. Rev. Appl.7,014008(2017)）。
奈米線-蝴蝶結天線結構對自由空間電磁場的局域和增強。
在本研究中，課題組將電荷態耗盡奈米成像與氮-空位色心的量子感測技術結合，用於對奈米尺度微波場的表徵。實驗上，透過探測奈米線周圍局域微波場(波長：10.4釐米)泵浦下不同軸向氮-空位色心電子的自旋躍遷，實驗觀察到微波場可以被局域在奈米線附近約291奈米區域內，相當於其波長的10-6倍。進一步測量奈米尺度電磁場的強度和向量資訊，發現該深亞波長的局域來自於一維奈米導電材料中電子運動的近場輻射，而非電磁波的倏逝場。基於該實驗結果，課題組設計了金屬奈米線-蝴蝶結天線結構，用於對自由空間微波場收集、局域並增強與電子自旋的相互作用。透過測量局域微波場泵浦下電子自旋的拉比振盪，觀察到此結構可將局域微波能量增強8個量級，提高與自旋相互作用強度4個量級。利用該奈米線-蝴蝶結天線的偏振依賴特性，課題組還透過改變自由空間微波場的偏振實現對自旋位元的選擇性操控，驗證了該結構用於高空間解析度量子位元操控。
該成果將高空間解析度量子感測成功應用在奈米科學研究中，為探索奈米尺度下的電磁場與物質相互作用提供了一種有效工具。實驗中實現的深亞波長電磁場局域及超強電磁場與物質的相互作用不僅可用於遠場量子位元操控，還可用於極弱電磁訊號的測量，如發展基於量子位元的微波雷達等技術。
文章第一作者為中科院量子資訊重點實驗室副研究員陳向東博士，通訊作者為孫方穩教授。該工作得到了科技部、基金委、中國科學院和安徽省的資助。
論文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26662-5
