如果用一个原子来捕捉纳米材料的高分辨率图像听起来像科幻小说。
但这正是加州大学巴巴拉分校（UCSB）量子传感和成像研究组已经实现的技术。物理学家Ania jayich实验室的成员历时两年开发出一种全新的传感器技术，具有纳米尺度的空间分辨率和精致的敏感性。他们的这一成果已刊登在《自然》科学杂志上。
“这是第一种该类工具。”UCSB的科学和工程讲席教授，校材料研究实验室副主任jayich说。“它的工作温度从室温到低温，低温下会发生很多有趣的物理现象。例如，当热能足够低时，电子相互作用的结果便可以观察到，这导致新的物理相。现在我们可以用前所未有的空间分辨率来探测这些。”
在显微镜下，独特的单自旋量子传感器类似于牙刷。每个“毛”包含一个单一的、坚实的纳米金刚石晶体，其顶端具有一种特殊的缺陷，氮空位（NV）中心。在钻石的碳晶格中，有2个相邻的原子缺失，其中一个空位被氮原子填充，能够感应特定的材料特性，特别是磁性的传感。这些传感器在UCSB的洁净室完成生产加工。
研究团队选择了一个相对较好的超导材料进行研究，该材料含有称为涡流——磁通的局部区域的磁性机构。研究人员能够使用他们的仪器，对单个涡流进行成像。
“我们的工具是一个量子传感器，因为它依赖于神奇的量子力学，”jayich解释。“我们把NV缺陷处于量子叠加态，它可以是一个状态或另一个——我们不知道，然后我们让系统在场效应下发展并测量。这种叠加的不确定性实现了测量。”
这样的量子行为通常与低温环境有关。然而，本研究组的专业量子仪器可在室温及6开尔文（约零下450°华氏度）工作，这使得它非常灵活、独特，能够用于研究各种相的物质以及相关的相变。
“很多其他显微镜工具没有这么大范围的工作温度，”jayich解释。“我们的工具的另一个亮点是它有出色的空间分辨率，因为该传感器包括一个单一的原子。另外，它的尺寸使得它具有非侵入性，这意味着它能最小限度的影响材料系统的基本物理性质。”
研究团队目前正在对“斯格明子”—磁旋涡状结构的准粒子—进行成像，这对未来的数据存储和自旋电子技术具有巨大的吸引力。他们的目标是利用仪器的纳米级空间分辨率，确定引起“斯格明子”的竞争相互作用的相对强度。“原子之间有很多不同的相互作用，你需要了解所有这些相互作用，之后才可以预测材料的行为。”jayich说。
“如果你能想象到材料磁畴的大小，以及它们是如何在小尺度上进化的，然后你能了解这些相互作用的数值和强度，”他补充说。“在未来，这个工具将有助于理解材料相互作用的性质和强度，然后带来有趣的新物质状态和物质相，这是不仅有利于基础物理，对技术也很有帮助。”