光学超分辨成像精度破极限达4.1纳米

中国科大郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室孙方稳研究组，利用光学超分辨成像技术实现了对单个自旋态的纳米量级空间分辨率测量和操控，其成像精度达到4.1纳米。研究成果1月2日发表在《自然》子刊《光：科学与应用》上。

了解微纳尺度物体的物理属性及动力学过程，需要纳米尺寸的探测器，纳米尺度的固态量子测量技术因此得到快速发展。但实现高空间分辨率的电磁场等物理量测量，不仅需要高精度的成像和分辨，还需要高精度量子态操控。而通常的光学成像受到衍射极限的限制，分辨率只能达到300纳米左右。

金刚石中的氮—空位色心是金刚石的一种发光缺陷，由一个氮杂质和邻近的空位组成，近几年在量子信息领域得到广泛关注，被认为有望实现室温下的量子计算和高灵敏度量子测量。孙方稳研究组通过氮离子束注入制备了金刚石氮—空位色心，并利用色心中不同电荷态发光的波长依赖特性，对色心的电荷态进行了高效控制。他们进一步通过对不同波长激光的光束整形，实现了突破光学衍射极限的电荷态耗散成像技术。实验中，他们利用50毫瓦泵浦激光完成了对氮—空位色心的高分辨成像，精度达到4.1纳米。

据介绍，该实验获得的成像精度是光学衍射极限的1/86，超过了斯特凡·W·赫尔教授等人之前在相同系统中利用5瓦激光泵浦所获得的光学衍射极限1/67的精度。该电荷态耗散成像技术不仅可用于纳米尺度的高精度电磁场测量，还将在基于近邻耦合电子自旋的量子信息和生物检测中得到广泛应用。