通过扫描隧道显微镜对NV中心的原子尺度成像与电荷态操控

作为微小量子工具的钻石缺陷

许多未来的量子技术可能依赖于超纯钻石内部的微小缺陷。这些被称为氮空位（NV）中心的缺陷可以表现为可控的“自旋”，用于存储与处理量子信息、探测磁场，并用单光子通信。本文介绍了一种以原子尺度实际观测并控制单个NV中心的新方法——这是从底层构建可靠量子器件的关键一步。

这些钻石缺陷为何重要

NV中心形成于一个碳原子被氮原子取代且相邻碳位点为空位的情况下。在合适的电荷态（称为NV−，即带负电的NV）时，该缺陷表现为高度稳定的量子比特，甚至可在室温下工作。NV中心已被用于实验室中测量极微弱的磁场与电场，并作为量子网络的构件。然而，科学家们尚缺乏关于每个NV中心在周围晶格中精确位置及其局域电环境如何影响性能的逐原子视图。没有这样的微观图像，改进器件设计长期依赖试错。

用石墨烯“窗口”窥视钻石内部

为了直接观测单个NV中心，研究者采用了扫描隧道显微镜（STM），这是一种可实现原子分辨率电子结构成像的技术。STM通常需要导电表面，这对绝缘的钻石来说是个难题。团队通过在钻石上覆盖一层超薄的导电碳片——单层石墨烯——解决了这一问题。该石墨烯层像一个电子“透明”的窗口：它足够导电以支持STM测量，同时又足够薄，从而使仪器能够探测埋在下面的NV中心。

逐原子指纹识别单个缺陷

在低温且超洁净的条件下，作者扫描了覆盖石墨烯的钻石表面下方的40多个单个缺陷。通过测量电导随施加电压的变化，他们识别出NV−中心一致的特征：在费米能级下约0.3电子伏处出现一条明显的电导峰。每个缺陷周围的局域电子密度图显示出与已知NV中心晶体学方向对齐的两叶形分布。这一图案及峰的能量位置使团队能将NV−与其他常见缺陷（如孤立的氮原子，即P1中心）区分开来，后者在STM图像中出现在截然不同的能量处并呈现不同形状。

翻转单个量子缺陷的电荷

除成像之外，最引人注目的进展是能够按需改变单个NV中心的电荷态。研究者将STM探针停在选定的NV−中心上方，短暂收回探针，然后对钻石施加强正电压。该电场有效地拉走了缺陷的一个电子，将NV−转换为其中性态NV0。经过该过程后，STM图像不再显示明亮的缺陷特征，谱线中也消失了典型的电导峰——表明电荷态已发生改变。重要的是，相距仅数十纳米的附近缺陷保持不被影响，证明该操控高度局域化。该控制精度比类似系统中先前的电荷调节方法高大约十倍。

从底层构建更好的量子器件

简而言之，这项工作同时展示了一种用来观察单个钻石量子缺陷的显微镜和一种“调节旋钮”。石墨烯层使STM得以窥视绝缘晶体，识别并表征单个NV中心，而精确施加的电压可以逐个切换它们的电荷态。这些能力为设计具有定制NV中心排列的量子器件开辟了道路——在需要感应的区域密集布置，而在会产生噪声的区域将其关闭。未来步骤可能将该方法与先进的光学技术结合，使科学家能够将原子尺度图像、电学指纹和同一缺陷的光发射联系起来。综合这些工具，我们离以现代电子学所拥有的精度来工程实用的固态量子比特又更近了一步。

引用: Raghavan, A., Bae, S., Delegan, N. et al. Atomic-scale imaging and charge state manipulation of NV centers by scanning tunneling microscopy. Nat Commun 17, 1617 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68323-5

关键词: 氮空位中心, 钻石量子比特, 扫描隧道显微镜, 石墨烯接口, 量子传感