近日，北京量子院原子系综精密测量团队助理研究员刘岩与德国乌尔姆大学（Ulm University）Fedor Jelezko教授课题组，以及德国联邦物理技术研究院（PTB）Hans W. Schumacher教授课题组合作，提出和实现了基于单个NV色心的MFM量子校准。2021年12月21日，相关工作以《Quantum calibrated magnetic force microscopy》为题在Physical Review B上发表。  

金刚石氮空穴（Nitrogen Vacancy, NV）色心，由金刚石晶格中的一个取代碳原子位置的氮原子及一个邻近晶格空穴组成，具备稳定的光学活性。得益于稳定的金刚石晶格结构，及自旋纯净环境，NV色心在室温环境下即可具备毫秒级的自旋相干时间，是一种不可多得的固态单原子量子测量平台。基于NV色心的量子自旋态测量，可实现高空间精度的磁场、电场、温度、压力等方面传感应用。

磁力显微镜（Magnetic Force Microscopy, MFM）是一种实现高速、高效、高空间精度的磁场探测装置，是原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）的衍生应用，可广泛应用于重要的磁性材料表征、磁性存储介质的信息读取、超导材料表征等。MFM探针与AFM探针类似，MFM探针一般是在AFM探针上进行磁性材料镀膜。大多数情况下，MFM探针的磁力校准基于其在所谓参考磁性样品上进行近距离扫描产生的磁场引、斥力分析计算。这样的校准，存在两个潜在的问题：一是参考样品本身也需要校准并且其校准存在一定误差；二是校准过程中两种磁性材料互相之间存在扰动——校准过程可能会导致MFM磁针性能发生改变。

针对MFM传统校准方案中的潜在问题，我院原子系综精密测量团队助理研究员刘岩与德国乌尔姆大学（Ulm University）Fedor Jelezko教授课题组，以及德国联邦物理技术研究院（PTB）Hans W. Schumacher教授课题组，提出和实现了基于单个NV色心的MFM量子校准。基于NV色心的磁场传感，依据其自旋汉密尔顿量，具备自校准特性。金刚石的半导体性质，相比传统的参考磁性材料，与MFM探针之间几乎不存在扰动。

这项研究实现了距离MFM探针80nm高度的2×2μm2平面上，以10nm间距均匀分布的400个坐标点上的高梯度磁场测量（2~14 mT）。基于NV色心轴所具备的指向特性，研究进一步分析出MFM探针磁场与NV色心轴的夹角数据。根据数据结果，实现了MFM探针在纳米尺度上的磁场幅值大小以及磁场角度的空间高分辨度成像。并与传统MFM测量结果进行结合，将两种结果进行了对比和分析。我院刘岩博士为本论文唯一通讯作者和共一作者。

项目研究工作中，刘岩博士得到了中德（CSC-DAAD）博士后奖学金和Volkswagen Stiftung等项目的资助。项目受到了德国科研基金会（DFG）、欧洲研究委员会（ERC）和德国联邦教育及研究部（BMBF）等机构提供的经费支持。这项研究也得到了英国元素六公司（Element Six）的高纯度金刚石样品支持，以及德国原子力显微镜公司JPK Instrument AG在高空间精度位置控制方面的技术支持。