本文轉(zhuǎn)載自《 人民日?qǐng)?bào) 》(2024年07月16日第17版)
http://paper.people.com.cn/rmrb/html/2024-07/16/nw.D110000renmrb_20240716_2-17.htm
近日,全球首臺(tái)商用低溫版掃描氮—空位探針顯微鏡在安徽合肥發(fā)布,該儀器主要用于檢測(cè)納米材料的表面磁性,將為材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理、生命科學(xué)等領(lǐng)域研究提供一種全新的工具。該儀器由中國(guó)企業(yè)自主研制,標(biāo)志著我國(guó)量子精密測(cè)量技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展取得了新的突破。
量子精密測(cè)量,是指利用能級(jí)躍遷、相干疊加、糾纏等量子特性,在測(cè)量精度、靈敏度、分辨率等方面實(shí)現(xiàn)大幅躍升。舉個(gè)例子,我們可以用體溫計(jì)測(cè)量人的體溫,但無(wú)法用體溫計(jì)測(cè)量蚊子的體溫,因?yàn)轶w溫計(jì)的端頭比蚊子還要大,一個(gè)大的傳感器是難以測(cè)量一個(gè)小的物體的。若要測(cè)量比蚊子還要小得多的物體,比如單個(gè)DNA分子、藥物蛋白分子等,我們就需要比分子和細(xì)胞更小的傳感器。
近年來(lái),科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種基于“鉆石缺陷”的量子傳感器,這種傳感器的感測(cè)單元只有原子尺度大小,可以說(shuō)是人類(lèi)所能研制的最小傳感器之一。鉆石看似完美無(wú)瑕,實(shí)則有很多“缺陷”,但也正是這些“缺陷”,讓鉆石顯現(xiàn)出某些可被利用的特性。比如,當(dāng)鉆石中相鄰的兩個(gè)碳原子被一個(gè)氮原子和一個(gè)空位替換后,形成的結(jié)構(gòu)就表現(xiàn)出一種非常好的光學(xué)特性和量子相干性,科學(xué)家將它命名為金剛石氮—空位(NV)色心。
NV色心是一種優(yōu)異的量子傳感器,可以將其簡(jiǎn)單地看作一個(gè)極其微小的磁針。通過(guò)光探測(cè)磁共振技術(shù),研究人員不僅能夠觀測(cè)到NV色心,還能用它測(cè)量周邊磁場(chǎng),并利用光和微波讀出具體的磁場(chǎng)大小。經(jīng)過(guò)氮離子注入、退火等幾十道精細(xì)的微納加工步驟,研究人員能夠人工制備出金剛石NV色心,并能將其規(guī)?;a(chǎn)成可以用于掃描成像的掃描NV探針。
此次研究人員研制的商用低溫版掃描NV探針顯微鏡,就是一款結(jié)合了NV色心光探測(cè)磁共振技術(shù)、原子力顯微鏡掃描成像技術(shù)的量子精密測(cè)量?jī)x器,可在寬溫區(qū)下實(shí)現(xiàn)高分辨、高靈敏度、定量無(wú)損的磁學(xué)成像,具有納米級(jí)的高空間分辨率以及單個(gè)自旋的超高探測(cè)靈敏度。
除了金剛石NV色心,量子精密測(cè)量還有很多技術(shù)路線,包括原子磁力計(jì)、原子鐘等。原子磁力計(jì)是用光與原子的相互作用來(lái)探測(cè)磁場(chǎng)的技術(shù),可以進(jìn)行冠心病與心率異常檢測(cè);光晶格鐘作為新一代原子鐘,目前能達(dá)到百億年誤差僅有1秒。各個(gè)技術(shù)路線,依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景各顯神通。
量子傳感器被譽(yù)為“打開(kāi)微觀世界的一把鑰匙”。它不僅小,靈敏度也非常高,可以測(cè)到過(guò)去很多探不到、測(cè)不準(zhǔn)的信號(hào),如腦磁、心磁信號(hào)等,可用于神經(jīng)性疾病、冠心病等疾病早期診斷。同時(shí),量子精密測(cè)量還帶來(lái)一些檢測(cè)手段的革新,例如在新能源領(lǐng)域進(jìn)行鋰電池內(nèi)的漏電流檢測(cè),在能源勘探領(lǐng)域可用于電網(wǎng)管理,在半導(dǎo)體/集成電路領(lǐng)域可用于芯片電流成像等。
業(yè)界將量子精密測(cè)量視為量子信息技術(shù)領(lǐng)域又一個(gè)“產(chǎn)業(yè)化條件成熟”的方向,技術(shù)創(chuàng)新也日趨活躍。近年來(lái),全球孵化出多家量子測(cè)量領(lǐng)域初創(chuàng)公司,挖掘各類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景,推動(dòng)量子商業(yè)化進(jìn)展。
通俗地講,量子精密測(cè)量就是變“不可見(jiàn)”為“可見(jiàn)”。如果把我們認(rèn)識(shí)的世界比作冰山,那么水面之上的是現(xiàn)在的傳感器能夠看到的,僅僅是冰山一角,水面之下則是未來(lái)量子精密測(cè)量可以觀察到的。量子精密測(cè)量將成為我們挖掘?qū)氋F信息“冰山”的強(qiáng)力工具,不斷拓展人類(lèi)的認(rèn)知邊界。顯微之中,預(yù)見(jiàn)的是全球技術(shù)發(fā)展不可限量的未來(lái)。
(作者賀羽 為安徽省量子精密測(cè)量制造業(yè)創(chuàng)新中心主任)