扫描探针量子传感技术在量子材料微观物性表征中的进展与展望

量子传感技术已成为凝聚态物理、材料科学和生物技术等前沿领域的关键研究工具。利用单个固态自旋缺陷的量子特性，扫描探针量子显微技术（Scanning-Probe Quantum Microscopy）能够在纳米级空间分辨率下，实现对多种物理自由度的高灵敏度的非侵入式探测，展现出远传统经典传感器的探测灵敏度与空间分辨能力。

近日，美国佐治亚理工学杜春晖（Chunhui Rita Du）团队联合多家国际量子传感研究团队，在 《Nature Materials》 上发表了题为 “Multimodal scanning-probe quantum sensing of quantum materials” 的受邀综述文章。文章系统阐述了以金刚石氮-空位（NV）色心及新兴低维自旋缺陷为核心的扫描探针量子传感技术在解析前沿量子材料微观物性方面的*进展、核心优势及未来技术路线。

一、 核心传感器

金刚石晶格中由替代氮原子和相邻碳空位构成了负电荷NV色心，其拥有一个S=1的基态电子自旋，是一个理想的固态三能级量子系统。将其制备于金刚石悬臂梁微结构的纳米柱末端，并集成至原子力显微镜（AFM）的力反馈系统中，即可构建高分辨的扫描探针量子传感平台。

二、 应用进展：多模态量子传感在前沿材料中的表征范式

传统的磁学表征手段（如MOKE、SQUID）往往难以同时兼顾纳米级空间分辨与高灵敏度，且难以实现多种物理量测量，而扫描NV量子显微术凭借其多模态并发表征（可同步探测磁场、电场、温度及压力）的特性，在强关联体系与低维结构研究中展现出的优势。

1. 静态场成像：二维磁体与拓扑输运特性

层数依赖的二维磁性：该技术能够直接对原子级薄层范德华磁体（如CrI3）所产生的微弱静态杂散场进行纳米级成像，结合反向传播（Back-propagation）磁反演算法，可重构出单层/多层材料内部的微观磁化图案。

莫尔（Moiré）晶格磁性：在转角双层CrI3中，直观揭示了由堆叠结构驱动的反铁磁与铁磁相共存的微观状态。

非经典电子流体动力学行为：探测拓扑半金属 中的流体动力学电荷流动，重构出弯曲的电流密度分布，在真实空间中证实了流体动力学电子流行为。

2. 动态场与自旋弛豫：捕捉微观自旋涨落与拓扑磁结构

莫尔磁体中的相变分离：自旋弛豫技术*解析了转角双三层CrI3铁磁态（居里温度）与反铁磁态（内尔温度）随温度变化的相变差异。

纳米级非共线自旋结构：利用自旋波噪声与NV色心的偶极相互作用，实现对合成反铁磁体中磁畴壁、自旋螺旋和斯格明子（Skyrmions）的高分辨成像，为自旋电子学器件的研究提供了关键物性数据。

三、*实验方案：高灵敏度与微观分辨的拓展优化

扫描梯度测量与电场测量（Gradiometry & Electrometry）：通过使金刚石探针在样品表面进行纳米量级的周期性机械振荡，并将该振荡与Hahn echo脉冲序列进行锁相同步，实现了静态磁场/电场梯度的高灵敏度提取。该方案*解析了传统静态成像中难以捕捉的 Cr2O3表面拓扑缺陷。

频率调制AFM模式（FM-AFM）：相比常规的振幅调制（AM-AFM）模式，调频模式能够在不损伤样品的前提下，将NV色心与样品表面的实际工作距离压缩至 10 nm 以内。这使得重构出的合成反铁磁跑道线中的畴壁边界锐利度大幅提升，保留了更多微观局域细节。

四、 核心技术优势

综合而言，扫描探针量子传感技术在强关联体系及量子材料研究中具备以下四大核心优势：

·多参量同步检测：单个探针即可兼容磁场、电场、温度、压力等多个物理量的同步原位测量，规避了传统方法需多台设备、反复换样带来的系统误差；

·极端物理环境适配性：具备宽温压工作区间，既能在常温常压下稳定运行，也兼容量子材料所需的毫开尔文（mK）极低温、强磁场以及高压金刚石对顶砧（DAC）的原位集成测试，且对薄二维样品无损；

·高场灵敏度与纳米级分辨：能够捕捉单原子层材料产生的微弱静态/动态磁信号，对反铁磁补偿态等净磁矩小的拓扑自旋结构具备高探测敏感度；

·高度可拓展的模块化设计：支持高度自定义的微波脉冲序列调控，易于与宽场量子显微、锁相梯度放大等前沿实验方案进行深度交叉融合。

五、 前沿展望

除了技术已趋于成熟的金刚石NV色心扫描传感外，综述重点指出，基于低维材料（1D/2D）中新兴固态自旋缺陷的量子传感平台正展现出巨大的发展潜力：

二维六方氮化硼（hBN）中的硼空位V-B ：由于hBN本身常作为二维范德华器件的封装绝缘层，直接利用其中的V-B缺陷可实现原位、自集成的量子传感表征。目前已*应用于宽场（wide-field）模式下Fe3GeTe2的磁结构解析、石墨烯器件的局域焦耳热定量测定，以及在高压金刚石对顶砧（DAC）内部原位探究CrTe2磁化强度随外加压力的演变行为。

一维氮化硼纳米管（BNNT）中的碳相关缺陷：*的研究表明，通过将包含单个自旋1/2碳缺陷的BNNT转移至AFM悬臂梁，由于该自旋缺陷缺乏固定的固有自旋量子化轴，使其能够进行多方位的各向异性磁场传感，丰富了对未知取向局域磁矩的表征手段。

虽然新兴缺陷发展迅速，但由于金刚石NV色心在室温相干时间、量子态可控性及批量制备工业化上的成熟度，目前及未来一段时间内其依然是量子材料微观物性表征的核心主力。

六、 未来展望与技术路线

尽管扫描探针量子传感前景广阔，但若想将其推向全新高度，仍需攻克以下瓶颈：

金刚石纳加工工艺与电荷稳定性：如何优化纳米柱的微纳加工，在引入高数值孔径、提升光子收集效率的同时，确保极靠近金刚石表面（<5-10 nm）的NV色心仍具备优异的相干时间与电荷态稳定性。

时间分辨率的突破：通过引入快激光脉冲泵浦-探测（Pump-Probe）技术或重构量子相位测量协议，将现有的时间分辨率推向纳秒（~1 ns）甚至皮秒时域，以捕获强关联体系中的快激射、相变动力学及高频自旋波动。

极端环境兼容性：进一步发展与稀释制冷机深度集成的极低温扫描NV系统，使其能够在毫开尔文（mK）温区稳定运行，从而在真实空间中直接观测量子异常霍尔效应、分数电荷流、非平庸拓扑态以及自旋液体激发等凝聚态前沿物性行为。

七、 结

从金刚石内部的微观点缺陷，到演变为透视量子材料微观物性的核心“透镜”，多模态扫描探针量子传感技术正在填补经典表征设备在纳米尺度、多参量定量探测上的空白。随着硬件设备向模块化、自动化、高集成度迭代，该技术必将与纳米SQUID、磁力显微镜等传统工具形成深度互补，成为量子信息科学、自旋电子学（Spintronics）及低维材料工程交叉研究中不可或缺的变革性表征利器！

论文链接：https://doi.org/10.1038/s48-w

目前国仪量子已在多模态测试方面有丰富经验：

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