中國科學技術大學中科院院士郭光燦領導的中科院量子信息重點實驗室孫方穩研究組利用光學超分辨成像技術實現了對單個自旋態的納米量級空間分辨率測量和操控，其成像精度達到4.1納米，研究成果發表在2015年1月2日的《光：科學與應用》上，課題組的博士生陳向東和鄒長鈴是論文的共同第一作者。

隨著科學技術的不斷發展，研究對象的尺度也越來越小，甚至達到單個電子和單個質子的程度。為了了解微納尺度物體的物理屬性及動力學過程，需要納米尺寸的探測器。因此，基于納米尺度的固態量子測量技術得到了快速的發展。然而利用近鄰金剛石氮-空位色心等固態納米量子體實現高空間分辨率的電磁場矢量和梯度的測量，不僅需要高精度的成像和分辨，而且還需要實現要求更高、實驗難度更大的高精度量子態操控。孫方穩研究組基于金剛石氮-空位色心系統中的電荷態耗散成像技術，實驗實現了突破光學散射極限的光學遠場成像和量子態操控，空間分辨率達到了納米量級。

孫方穩研究組通過氮離子束注入制備了金剛石氮-空位色心，并利用氮-空位色心中不同電荷態發光的波長依賴特性，對色心的電荷態進行了高效的控制。進一步通過對不同波長激光的光束整形，實現了電荷態耗散成像技術。實驗上利用50毫瓦泵浦激光完成了對氮-空位色心的高分辨成像，精度達到4.1納米。此外，基于該電荷態耗散成像技術和微波調控技術，他們還實現了高空間分辨率的自旋量子態的操作和測量，演示了高精度磁場矢量的測量。該電荷態耗散成像技術原理類似于2014年諾貝爾化學獎獲得者S.W. Hell教授發明的受激發射耗散成像技術。實驗獲得的成像精度是光學散射極限的1/86，超過了S.W. Hell教授等人之前在相同系統中利用5瓦激光泵浦所獲得的光學散射極限1/67的精度。

該電荷態耗散成像技術不僅僅可以用微納尺度的高精度電磁場測量，還將在基于近鄰耦合電子自旋的量子信息和生物檢測中得到廣泛應用。

上述研究得到了科技部、國家自然科學基金委和量子信息與量子科技前沿協同創新中心的資助。

a，b分別是普通共聚焦掃描顯微成像和利用電荷態耗盡高精度成像測量的結果。b圖中每個亮點都對應著單個金剛石NV色心。

來源：中國科學技術大學