The Innovation | 首次实现金刚石氮-空位色心原子结构三维成像

氮-空位（NV）色心是金刚石中一种重要的量子缺陷，在量子计算和传感领域具有广泛的应用前景。然而，其原子级结构和空间分布一直难以直接观测。本研究工作通过多片层电子叠层成像技术（MEP），首次实现了NV色心的三维原子级分辨成像，为理解其构-效关系提供了关键依据。该技术的突破源于团队长期以来对高分辨率成像方法的前沿探索和对量子材料缺陷研究的深刻洞察。

导 读

NV色心由金刚石中的氮原子取代碳原子并伴随一个空位形成，因其优异的光学和自旋性质，在量子计算、传感和通信领域中具有重要应用。然而，高密度NV色心的原子级结构和分布一直缺乏直接观测手段，制约了对其潜在机制的深入理解和性能的进一步优化。

图1 图文摘要

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技术突破：MEP成像

研究团队采用多片层电子叠层成像技术（MEP），通过四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）采集数据并结合先进的算法重建，首次实现了NV色心的三维原子级分辨成像。得益于杰出的深度分辨率（2.3纳米）和平面分辨率（皮米级）MEP技术为轻元素和点缺陷的高精度观测提供了全新工具。

图2 NV色心的光致发光谱和自旋相干性表征

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重要发现

NV色心的集群分布：研究发现，高密度NV色心并非随机分布，而是以“簇”的形式存在。每个簇包含至少4个单NV色心，沿3个或更多原子柱排列，深度范围为1-5纳米。

应变场影响：NV簇引入的局部晶格畸变会导致相邻原子约0.2皮米的位移，这种应变效应可能影响其量子相干性。

间距规律：簇间沿[110]方向的间距约为1-2纳米，这一发现为调控NV色心密度提供了新思路。

图3 MEP实验装置及NV色心的模拟成像对比

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理论与实验结合

通过密度泛函理论（DFT）模拟，研究团队不仅验证了实验观测结果，更进一步提出了NV簇的结构模型。理论计算与实验结果的高度吻合为后续相关研究奠定了坚实基础。

图4 MEP重构的NV色心三维原子结构

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应用前景

这项成果不仅深化了对NV色心结构与性能关系的理解，还为量子器件的设计与优化提供了原子级依据。未来，MEP技术有望进一步应用于其他量子材料缺陷的研究，推动原子级制造技术的发展。

图5 NV簇的分布模型及原子位移分析

总结与展望

本研究首次实现了NV色心原子级结构的三维成像，揭示了其集群分布特征和局部应变效应。未来，团队将探索更高分辨率的成像技术（如倾斜耦合MEP），以进一步提升对单NV色心的观测能力。这一突破为量子材料的缺陷工程和性能优化开辟了新的研究方向。