如果用一個原子來捕捉納米材料的高分辨率圖像聽起來像科幻小說。

但這正是加州大學(xué)巴巴拉分校(UCSB)量子傳感和成像研究組已經(jīng)實現(xiàn)的技術(shù)。物理學(xué)家Ania jayich實驗室的成員歷時兩年開發(fā)出一種全新的傳感器技術(shù)，具有納米尺度的空間分辨率和精致的敏感性。他們的這一成果已刊登在《自然》科學(xué)雜志上。

“這是第一種該類工具。”UCSB的科學(xué)和工程講席教授，校材料研究實驗室副主任jayich說。“它的工作溫度從室溫到低溫，低溫下會發(fā)生很多有趣的物理現(xiàn)象。例如，當(dāng)熱能足夠低時，電子相互作用的結(jié)果便可以觀察到，這導(dǎo)致新的物理相。現(xiàn)在我們可以用前所未有的空間分辨率來探測這些。”

在顯微鏡下，獨特的單自旋量子傳感器類似于牙刷。每個“毛”包含一個單一的、堅實的納米金剛石晶體，其頂端具有一種特殊的缺陷，氮空位(NV)中心。在鉆石的碳晶格中，有2個相鄰的原子缺失，其中一個空位被氮原子填充，能夠感應(yīng)特定的材料特性，特別是磁性的傳感。這些傳感器在UCSB的潔凈室完成生產(chǎn)加工。

研究團隊選擇了一個相對較好的超導(dǎo)材料進行研究，該材料含有稱為渦流——磁通的局部區(qū)域的磁性機構(gòu)。研究人員能夠使用他們的儀器，對單個渦流進行成像。

“我們的工具是一個量子傳感器，因為它依賴于神奇的量子力學(xué)，”jayich解釋。“我們把NV缺陷處于量子疊加態(tài)，它可以是一個狀態(tài)或另一個——我們不知道，然后我們讓系統(tǒng)在場效應(yīng)下發(fā)展并測量。這種疊加的不確定性實現(xiàn)了測量。”

這樣的量子行為通常與低溫環(huán)境有關(guān)。然而，本研究組的專業(yè)量子儀器可在室溫及6開爾文(約零下450°華氏度)工作，這使得它非常靈活、獨特，能夠用于研究各種相的物質(zhì)以及相關(guān)的相變。

“很多其他顯微鏡工具沒有這么大范圍的工作溫度，”jayich解釋。“我們的工具的另一個亮點是它有出色的空間分辨率，因為該傳感器包括一個單一的原子。另外，它的尺寸使得它具有非侵入性，這意味著它能最小限度的影響材料系統(tǒng)的基本物理性質(zhì)。”

研究團隊目前正在對“斯格明子”—磁旋渦狀結(jié)構(gòu)的準粒子—進行成像，這對未來的數(shù)據(jù)存儲和自旋電子技術(shù)具有巨大的吸引力。他們的目標是利用儀器的納米級空間分辨率，確定引起“斯格明子”的競爭相互作用的相對強度。“原子之間有很多不同的相互作用，你需要了解所有這些相互作用，之后才可以預(yù)測材料的行為。”jayich說。

“如果你能想象到材料磁疇的大小，以及它們是如何在小尺度上進化的，然后你能了解這些相互作用的數(shù)值和強度，”他補充說。“在未來，這個工具將有助于理解材料相互作用的性質(zhì)和強度，然后帶來有趣的新物質(zhì)狀態(tài)和物質(zhì)相，這是不僅有利于基礎(chǔ)物理，對技術(shù)也很有幫助。”