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中国科学技术大学微纳量子传感实验室与黄坤教授课题组联合攻关，在固态量子传感领域实现关键技术突破。研究团队创新性地提出基于超构透镜的微型化方案，成功将金刚石氮空位（NV）色心量子传感器的核心部件厚度压缩至600纳米，为量子精密测量技术在狭小空间与极端环境中的应用开辟了新路径。相关成果以'A Miniaturized Metalens-Based Spin Defect Quantum Sensor'为题发表于材料科学领域权威期刊《Advanced Functional Materials》，并获国际纳米科技媒体Nanowerk专题报道，论文第一作者臧翰翔博士。

金刚石NV色心作为固态量子传感的明星体系，凭借其独特的电子自旋特性，可实现对磁场、温度、应力等物理量的纳米级分辨探测。传统技术路线依赖体积庞大的显微物镜系统，既需要精确调节激发光路与荧光收集光路的共聚焦，又需配备复杂的光学隔离装置，导致整个传感系统尺寸往往超过立方厘米量级。这种结构限制了其在生物体内植入式监测、芯片级电磁兼容测试、深地深海极端环境探测等场景的应用。

研究团队突破传统光学设计框架，将超构表面技术引入量子传感领域。通过在硅基衬底上精密排列亚波长尺度的纳米结构，构建出兼具聚焦与色散调控功能的平面超构透镜。该器件在532纳米激发光波段实现高效聚焦，同时对NV色心发射的700纳米荧光进行准直收集，单器件即完成传统需要多个透镜组合实现的光学功能。实验测试显示，超构透镜系统对NV色心的激发效率达到87%，荧光收集效率较传统方案提升15%，关键性能指标与商用显微物镜系统相当。

在微型化系统集成方面，研究团队采用'芯片-透镜'直接键合工艺，将超构透镜与金刚石NV色心芯片进行亚微米级对准封装。这种一体化设计不仅消除了传统光路中的机械调节部件，更将整个传感模块的体积缩减至传统系统的1/20。通过优化纳米结构排列方式，团队成功克服了超构透镜的色散问题，在200微米视场范围内实现300纳米的空间分辨率，满足生物细胞尺度下的精密测量需求。

受限空间应用验证是该研究的重要突破。研究团队构建了电磁铁窄间隙测试平台，在5毫米间距的强磁场环境中完成NV色心的电子自旋共振测量。实验表明，微型化传感系统可稳定工作于1.5特斯拉强磁场，微波操控功率较传统系统降低40%，同时实现对微波磁场分布的亚毫米级分辨成像。这种特性使其在量子计算芯片的电磁兼容测试、核磁共振成像探头微型化等领域具有应用前景。

技术原理层面，超构透镜通过调控纳米结构的几何参数，在单个平面内实现相位与振幅的独立调控。研究团队创新性地采用双层纳米柱结构，上层负责激发光聚焦，下层处理荧光收集，通过优化层间耦合效率，突破了单层超构透镜的功能限制。数值模拟显示，该设计在500-800纳米波段保持85%以上的传输效率，显著优于同类平面光学器件。

该成果为量子传感技术走向实用化提供了重要范式。传统量子传感器受限于光学系统体积，难以与现有微电子工艺兼容。此次突破使量子传感模块具备直接集成到芯片实验室（Lab-on-a-Chip）系统的可能性，未来可开发出集传感、处理、通信功能于一体的量子微系统。研究团队正在探索将超构透镜与CMOS图像传感器集成，构建可批量制造的量子成像芯片。

据了解，研究过程中最大的挑战在于平衡微型化与性能指标。团队通过建立纳米结构参数与光学性能的机器学习模型，经过上千次迭代优化，最终确定最佳结构方案。这种数据驱动的设计方法为超构表面器件开发提供了新思路。

这项研究得到科技创新2030重大项目等基金支持，标志着我国在固态量子传感领域达到国际前沿水平。随着超构表面加工技术的进步，未来有望将传感模块厚度进一步压缩至100纳米以下，为量子传感技术在活体细胞成像、脑机接口等前沿领域的应用奠定基础。研究团队透露，相关技术已申请发明专利，并与多家企业开展产学研合作，加速推进微型化量子传感器的产业化进程。

转载自：量子风云

中国科学技术大学突破量子传感微型化瓶颈：超构透镜助力金刚石NV色心探测

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