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为解决量子技术中缺陷中心量子态检测与控制的难题，研究人员开展了利用开尔文探针力显微镜（KPFM）检测金刚石表面氮 - 空位（NV）中心相关单自旋动力学的研究。结果实现了非光学单自旋读出技术（SVDMR）。该研究为量子传感应用开辟新途径，助力简化量子技术设备设计。
在量子技术蓬勃发展的当下，半导体中的缺陷中心，如硅中的施主、碳化硅（SiC）中的
v2中心以及金刚石中的氮 - 空位（NV）中心，成为了量子技术的关键物理系统。在这些系统中，量子信息通常编码于缺陷中心的自旋态，然而其携带的电荷却未得到充分利用。传统的自旋电学读出方法，基于自旋相关电流（常为光电流），存在诸多限制。例如，对于硅中的施主，需要低温和高磁场；对于 SiC 中的
V2中心和金刚石中的 NV 中心，不仅要施加高电场（数微米上达数十伏）和高激光强度来获取足够光电流以增强测量信号，而且即便对于缺陷集合，自旋诱导的电流变化通常也仅在纳安（nA）量级甚至更低，还常需高增益跨阻放大器来检测电流，这限制了快速变化信号的检测。为突破这些困境，来自德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心（Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie）和柏林自由大学（Freie Universit?t Berlin）等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表于《Nature Communications》，为量子技术的发展带来了新的曙光。
研究人员运用了多种关键技术方法。在实验装置方面，采用了结合共聚焦显微镜的原子力显微镜（AFM）系统 ，其中利用连续波（CW）激光二极管（波长 520nm）激发 NV 中心，通过声光调制器（AOM）产生用于拉比（Rabi）实验的激光脉冲；借助微波源产生微波，经放大后通过金属电极施加到样品上。测量表面电位时，使用导电悬臂在调频边带 KPFM 模式下进行。
研究结果主要包含以下几个方面：
- NV 中心成像：研究人员利用基于 KPFM 的方法对 NV 中心进行读出以检测其自旋态。实验中使用了含浅（表面下 7nm）单 NV 中心的电子级金刚石薄片作为样品，通过移动激光光斑并与 KPFM 信号关联，得到光电压（PV）图像。PV 图像中分离的斑点代表单个 NV 中心，且该图像揭示了一个不发光的缺陷，其可能是存在近端局部电子陷阱的 NV 中心或其他类型缺陷。
- NV 中心自旋态检测：研究人员通过表面光电压实现了对单个 NV 中心自旋态的读出，即表面电压检测磁共振（SVDMR）技术。同时，通过相干驱动 NV 自旋产生 Rabi 振荡并利用 KPFM 检测其状态，展示了该检测方法可用于单量子比特操作的自旋态读出。与光学检测的磁共振和 Rabi 振荡对比，进一步验证了该技术的有效性。
在研究结论与讨论部分，虽然精确描述实验过程需基于求解电势的泊松方程和电荷载流子的漂移 - 扩散方程进行二维数值模拟，但本文使用了简化模型进行定性分析。该模型基于表面受主态，解释了 PV 成像机制以及实验中观察到的现象，如 PV 信号对交流振荡电压VAC幅度、激光功率的依赖关系。
这项研究意义重大，其提出的基于光电压的方法为单电子自旋的空间成像和读出提供了新选择，相较于基于光电流的读出技术，该方法不依赖样品中的电流，有助于简化量子传感器设计；表面光电压检测还有望实现快速实验技术，减少测量时间；此外，该技术还能检测非荧光缺陷，为寻找新型金刚石缺陷中心提供了可能。不过，该技术应用于缺陷集合的情况还需进一步实验验证 ，未来随着研究的深入，有望为量子技术领域带来更多突破。
