澳大利亚团队开发量子显微镜原型，可创建高分辨率物理量地图

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光子盒研究所出品

最近，量子显微镜原型——澳大利亚团队开发的“自旋传感器”——已被证明能够创建不同物理量的高分辨率图。该研究成果题为“  using Van der Waals ”[1]，发表在《 》上。

这项工作由悉尼科技大学 (UTS) 的 Igor 教授和皇家墨尔本理工学院 (RMIT) 的 Jean-Paul 博士领导。

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量子显微镜：高精度探索材料特性和物理过程

自发明以来，显微镜已经取得了长足的进步。

我们不知道到底是谁制造了第一台显微镜，但据信一位荷兰眼镜制造商制造了最早的显微镜之一，该显微镜在 1600 年左右使用了两个镜片。最早的显微镜可以将物体放大到正常尺寸的 20 或 30 倍。

随着技术的发展，显微镜在放大微小物体方面变得越来越好，但它们受到所使用的光波长的限制。小于一微米（百万分之一米）的物体的尺寸太接近可见光的波长，无法在传统显微镜中看到。

进入电子显微镜时代，电子的波长约为十亿分之一米：最好的电子显微镜可以显示非凡的细节。但是，与量子显微镜不同，它们无法告诉我们太多有关电场和磁场等物理特性的信息。

固态自旋传感器能够充当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，但它们依赖于大块三维晶体（例如金刚石）中存在的缺陷。在这些材料中，自旋传感器在接触所研究的样品方面受到限制。因此，在实验中，该团队展示了一种多功能量子显微镜，该显微镜使用嵌入范德华材料六方氮化硼（hBN）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：实用性扩展到二维领域

该教授表示[2]这种新方法的独创性在于使用了一种称为六方氮化硼（hBN）的晶体的单原子薄层，这种晶体被称为范德华材料。

范德华材料在二维上牢固结合，在第三维上通过较弱的力结合，这意味着各个层（石墨烯层）可以剥离并用于许多不同的应用。 “这种范德华材料由牢固结合的二维层组成，可以做得非常薄并符合任何粗糙表面，从而实现高分辨率灵敏度。”说。

“这些特性使我们产生了在量子显微镜中使用‘量子活性’六方氮化硼箔的想法，这本质上是一种成像技术——使用量子传感器阵列来创建它们敏感的数量的空间图，”补充道：“到目前为止，量子显微镜在空间分辨率和应用灵活性方面一直受到使用笨重三维传感器固有的接口问题的限制，通过利用范德瓦尔斯传感器，我们希望将量子显微镜的实用性扩展到以前无法达到的水平。

该团队在铁磁范德华材料上测试了他们的原型：一片二碲化铬 (CrTe2) 晶体薄片。基于 hBN 的量子显微镜能够对铁磁体的磁域 ( ) 进行成像，在室温下以纳米级距离接近传感器。六方氮化硼的独特性质使研究人员能够记录温度图，证实显微镜可以将两个不同物理量之间的图像联系起来。六方氮化硼量子传感器与其他范德华材料的直接集成将为2D器件的设计和测量带来巨大的实际效益。

具有六方氮化硼自旋缺陷的量子显微镜

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实现纳米级分辨率，可用于遥感和成像

作者指出，他们的量子显微镜的分辨率受到光衍射的限制，在他们的结果中约为 1 微米；但他们补充说，原则上可以将其锐化至 10 纳米左右。 “此时，我们不再谈论显微镜，我们谈论纳米显微镜。”

“新一代量子显微镜具有巨大的潜力，”悉尼科技大学高级研究员博士说，并且可以承受非常恶劣的环境，因为六方氮化硼是一种非常坚硬的材料。

“未来的主要应用包括高分辨率 MRI（磁共振成像）和 NMR（核磁共振），它们可用于研究化学反应和识别分子起源，以及在空间、国防和农业等远程领域的应用。传感和成像是关键”

参考链接：

[1]

[2]