科学家们正在开发创新方法，以空前的精度感测电场和磁场，这对于推进纳米级设备至关重要。来自筑波大学的团队，设计了一种超快金刚石非线性光子传感器，用于评估表面电场。该研究通过利用金刚石纳米尖端中的氮空位中心，突破了传统泵浦探测技术的空间局限性，使得在纳米级飞秒分辨率下监测局部电场动态成为可能。该纳米技术为感测和理解先进纳米材料提供了新的途径，可能会在从材料科学到电子学等多个领域引发革命。

       这项纳米技术有望开启表征先进纳米材料和量子器件的新可能性。研究揭示了一种新的电光（EO）传感方法，利用了非线性光学现象，即材料的光学特性会受到电场的修改。传统的电光传感器依赖于铁电材料，且受到光衍射的限制，而这项研究利用了金刚石颜色中心，从而实现了显著改善的空间分辨率。

       金刚石中的颜色中心，特别是氮空位（NV）中心，由于其独特的量子态而成为吸引人的传感应用对象，尽管传统实现方式需要金属接触来引入微波。通过采用具有NV中心的金刚石晶体，研究人员避开了外部微波的需求，并利用了NV缺陷引起的非零二阶非线性易感性，激发了Pockels效应，这是其传感器的关键组件。实验表明，使用的1.56 eV光子不会与NV自旋态直接相互作用，确保了非共振跃迁，并仅专注于电场调制。团队结合光学泵浦-探测技术与扫描探针显微镜（SPM）技术，开发出了一种超精确的时空传感技术，分辨率达到≤500nm和≤100飞秒。通过在金刚石表面浅层（40nm）引入NV缺陷，创建了一个高度表面敏感的SPM探针，能够检测电场随时间延迟的变化。这种创新设计允许使用短光脉冲激发样品，并通过金刚石纳米探针中的Pockels效应感测电场。

       金刚石NV探针的制造与表征至关重要
       光学系统围绕显微镜构建，使用凹面镜以45度斜角注入激发脉冲光，而反射长焦距物镜则从探针背面聚焦探测光，更多细节请见补充说明。选择了反射式（Schwarzschild）物镜，以最小化来自Ti:蓝宝石脉冲激光的色散，脉冲长度≤10飞秒，波长范围为660至940nm（1.88至1.32 eV）。随后，AFM系统将探测光束聚焦在悬臂梁背面，特别是聚焦在金刚石NV尖端进行精确测量。研究人员首先使用n型半导体GaAs作为测试样品，评估传感器的灵敏度，利用其大约1.5 eV的带隙能量在室温下的特性。

       由于表面状态密度较高，费米能级固定在带隙中间，导致能带弯曲并形成垂直于表面的静态电场，这使得使用NV尖端进行电光测量成为可能。使用这种方法，团队从实验数据中获得了∆E ≈ −3.1×10⁶ V/m，与使用类似技术在n-GaAs上得到的值一致。即使在NV尖端下测量，尽管信号幅度减少至大约1/42，依然观察到一个正的电光信号，具有大约0.5ps的弛豫时间，确认了纳米尺度传感能力。对弛豫时间和信号幅度的分析表明，探测区域的直径大约为800nm，这与成像观察一致，并表明在表面区域存在更强的载流子散射和扩散。

       金刚石NV中心的纳米电场成像
       研究团队成功整合了光学和材料技术，创造了一种新型的纳米尺度设备传感技术，分辨率达到≤500nm和≤100飞秒。通过公式（1），科学家们从最大实验电光响应值（∆R/R ≈ 2.2 × 10）中得到了∆E ≈ −3.1×10⁶ V/m，与使用类似技术得到的值一致。此外，使用NV尖端进行的测量显示出正的电光信号，具有约0.5ps的弛豫时间，尽管信号幅度减少至大约1/42。该结果证实了通过金刚石NV尖端进行传感的可能性，并允许估算NV探针的直径大约为800nm，与观察结果一致。弛豫时间常数的减半表明，在表面区域可能存在较强的载流子散射和扩散，这可能与表面缺陷或二维导电特性有关。