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综述|多模态NV色心扫描探针用于量子材料研究

发布时间:

2026-07-18

综述|多模态NV色心扫描探针用于量子材料研究

近日，佐治亚理工学院为首的联合研究团队以《多模态扫描探针量子传感用于量子材料研究》（Multimodal scanning-probe quantum sensing of quantum materials）为题在Nature Materials上发表综述文章，概述了金刚石氮-空位扫描探针量子传感技术的研究进展，展望了该技术未来的发展方向与潜在机遇。

1 背景介绍

量子传感技术已发展成为凝聚态物理、材料科学、生物医学等前沿领域的变革性实验工具，并在诸多交叉学科领域催生量子技术创新。量子传感器的核心优势源自其量子本征属性，包括离散化能级、量子相干、量子叠加与量子纠缠，综合探测性能往往大幅超越传统经典探测设备。

固态自旋缺陷是一类核心量子传感载体，典型体系涵盖金刚石中的氮-空位色心（NV色心）、碳化硅中的双空位与硅空位色心，以及近年在二维范德华（2D-vdW）层状晶体中新发现的色心。该类量子传感器件的综合性能由灵敏度、可规模化制备能力与环境适应性共同决定，高度依赖基底材料本身的物理特性。

碳化硅的双空位色心及硅空位色心、氮化硼的硼空位色心

现阶段，共聚焦扫描量子显微、宽视场量子显微镜、量子磁强计等量子传感方案相对成熟，同时磁场梯度计、电场探测等新型传感方案仍在持续开发。

金刚石量子宽视场显微镜

本篇综述重点围绕基于单自旋NV色心的扫描探针量子显微技术展开论述；同时概述其他新兴自旋缺陷量子传感技术，例如六方氮化硼（hBN）中的硼空位色心与碳化硅基自旋缺陷。

2 NV色心扫描探针量子传感平台

2.1 NV色心扫描探针原理

氮-空位（NV）色心由金刚石晶格中的一个取代位氮原子，与相邻空位共同构成，带负电的NV色心可构建三能级量子系统。基于NV色心的量子传感系统已被用于表征三维、二维材料的核磁共振、光生电流、交流磁化率、应变等物理性质。

NV色心结构及其光探测磁共振谱

近年来，NV色心扫描探针成像技术凭借突破光学衍射极限的多参量测量模式与超高空间分辨率，在显微成像领域形成独特优势，发展尤为迅猛，该方案通常在微米级金刚石悬臂梁或金刚石纳米晶内部集成单自旋NV色心，搭配原子力显微镜（AFM）的力反馈系统实现扫描探测；样品台搭载多层压电位移台与扫描台，实现探针与样品精准对位、完成扫描测量。该系统能用于样品表面静态、动态磁场测量，其空间分辨率仅由NV色心与样品表面的间距决定，通常可达数十纳米量级。

NV色心扫描探针示意图

2.2 NV色心扫描探针优势

多尺度动态探测能力：可同步实现相干、非相干纳米尺度电磁信号表征；传统磁探测手段仅适用于静态或相干动态磁化表征，难以捕捉磁体系涨落自旋行为。

多物理量并行测量：可同步采集电场、磁场、温度、压力等多种物理参数，非常适合研究强关联凝聚态体系（自旋、电荷、热效应高度耦合）。

超高灵敏度+纳米级空间分辨率：可实现斯格明子、磁畴壁及其跃迁等微观电磁结构成像，已在超薄铁磁体系得到验证。

3 静态电磁场探测

NV色心扫描探针最直接的应用，是对新型量子材料微弱的静态杂散磁场开展纳米尺度空间成像。二维范德华磁性材料是典型研究范例：其磁性可通过原子层数、晶格相互作用、局部原子堆叠等方式精准调控，具备制备新一代二维自旋逻辑器件的潜力。

样品的堆叠、扭转、缺陷、微缩等，会使范德华磁体与磁性异质结产生纳米级的复杂电磁响应，传统探测手段难以表征，而NV扫描探针可以有效解决上述难题。

在对薄层三碘化铬（CrI₃）二维范德华磁体产生的局部杂散磁场成像的实验中，研究人员观测到：奇数层CrI₃存在未抵消净磁矩，具备稳定磁化信号；偶数层CrI₃净磁化强度完全抵消。

薄层CrI₃材料中的层依赖性二维磁性表征

NV扫描探针同样适用于反铁磁体系微弱磁信号表征，例如对三氧化二铬的反铁磁畴壁进行成像，可为固态磁体系自旋输运与动力学底层机制提供实验依据。

三氧化二铬单晶表面畴壁磁场实测图

4 动态电磁场探测

NV色心具备超长的量子相干时间与自旋弛豫时间（低温下可达数百秒），可以结合拉比振荡以及荧光锁相测量，对相干磁场的幅值与相位信息进行高灵敏度探测。

通过适当的实验设计，归一化的NV荧光扫描图谱可用于观测磁性材料中相干自旋波（即待测动态磁场）的局域激发与单向传播，还可以反演自旋波传播方向、波长、弛豫时间与相位分布。

钇铁石榴石中的相干自旋波扫描成像

此外，NV色心扫描探针还可捕捉自旋共振频段的微观磁场涨落信号，对磁性体系相变行为、二维范德华磁体的磁子流体动力学、自旋向列态等进行探测。并能对反铁磁材料纳米尺度的磁畴壁、斯格明子等微观自旋结构的可视化成像。

人工反铁磁多层膜堆叠结构内部磁畴壁的扫描成像

5先进量子传感方案

基于NV色心扫描探针，可搭建多模态测量体，系例如梯度磁场扫描与电场探测。

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梯度磁场成像对样品表面形貌缺陷的衬度远优于传统静态磁场成像，例如在抛光氧化铬单晶表面形貌的缺陷在常规静态磁场成像（右图）中几乎不可见，但在梯度磁场图谱（左图）中清晰显现。

氧化铬的梯度磁场成像及静态磁场成像对比

若施加垂直于NV自旋轴的偏置磁场，该体系可同步实现电场梯度探测；六方YMnO₃铁电畴成像实验证明，其电场探测灵敏度可达0.24 kV·cm⁻¹·Hz⁻¹/²，较传统NV电场传感提升两个数量级。

六方锰酸钇铁电畴的电场梯度成像

6新兴固态自旋量子体系

随着对金刚石NV色心研究与应用的逐步深入，研究人员同步开发了多种新兴量子固态自旋体系，例如二维范德华晶体（MoS₂、WSe₂、GeS₂）中的色心，以及六方氮化硼（hBN）中的硼空位、碳基自旋缺陷等。

利用hBN中的硼空位色心系综对样品杂散磁场进行宽场成像

hBN中的碳基缺陷基态自旋S=1/2，无固有量子化轴，可实现无取向依赖磁场探测，对局部温度、应变变化不敏感，可以与硼空位缺陷实现互补。

利用hBN中的硼空位色心对石墨烯器件中的电流分布（左）及焦耳热效应（右）进行成像

此外，一维氮化硼纳米管（BNNT）内部存在单碳自旋缺陷。将BNNT转移至AFM悬臂针尖，可用于二维磁体各向异性的磁化扫描，精准表征待测磁性样品的各向异性。

AFM悬臂搭载的氮化硼纳米管与BNNT

7 未来展望

尽管基于NV色心或其他固态自旋体系的扫描量子传感技术快速迭代，但在器件制备、时间分辨率、量子调控等方面仍存在瓶颈，制约NV色心扫描/显微成像性能的进一步突破。

探针制备层面，可以通过优化金刚石生长、后处理工艺与NV色心生成方案提高材料性能，同时优化金刚石纳米柱结构的形貌和尺寸，提升探针的光子收集效率。

时间分辨率层面，可以通过量子相位测量等技术实现接近1纳秒的时间分辨率瞬态信号探测，有望用于超快磁化动力学表征，大幅拓宽量子传感器在自旋电子学、介观物理、纳米器件表征领域的应用边界。

量子调控方面，目前NV色心主要通过微波进行调控，但研究人员也在探索全光学调控、电场调控、电压调控、机械应变调控、局域杂散磁场调控等创新自旋操控方案，降低微波信号串扰带来的影响。

近年来，凝聚态物理领域涌现出扭曲石墨烯、拓扑材料、自旋液体、非常规超导体等新型量子材料，其体系内大量新奇物理物性由量子效应主导，包括量子反常霍尔效应、平带拓扑电子态、分数电荷与分数自旋激发等。这类量子现象大多仅在极低温条件下稳定存在。因此，发展适配稀释制冷机环境的低温NV色心扫描/显微成像系统，对精准表征、深入揭示极低温量子材料的本征物理行为具有重要意义。