1. 单个掺杂稀土离子精密谱学

固态掺杂发光材料被广泛应用于光谱学研究及固态激光器制备等领域，进一步小型化的发展与研究，如纳米材料及单光子源的发展，可应用于生物传感探测、精密测量及量子技术等前沿领域。其未来的发展和成功对基础学科研究及社会经济发展具有重大意义。在各类固态掺杂发光材料中，稀土掺杂材料因其丰富的电子能级和优越的光学性质受到广泛的关注和重视，可实现在高性能固态激光与大功率照明等面向国家重大需求的应用。与此同时，发展基于稀土掺杂的单光子源有望实现量子保密通讯、量子模拟与量子计算等应用。通过对于单个掺杂稀土离子的探测与调控，可以在最根本、最微观的尺度研究其谱学性质，消除非均匀展宽、各项异性、偶极矩耦合、相邻能量传递等影响，更深入理解与调控掺杂稀土离子谱学性质，实现各类相关应用。然而，针对单个掺杂稀土离子的探测与研究面临诸多挑战，如晶体纯度过低、晶体中单个掺杂稀土离子信号难以探测、微波-光学联动困难、精准自旋调控困难等。在之前的三十多年里，物理学家和化学家们对做了种种尝试都没有实现光学探测单个掺杂稀土离子的突破。

图1：单个稀土离子探测时间表，绿色为我们的工作。

聚焦以上科学问题，近年来我们致力于光学探测单个掺杂稀土离子，实现单个掺杂稀土离子光学与自旋操控。开展了一系列创新工作，其中主要包括有：

a. 发展超纯样品制备、高效率光学探测及微纳光子学加工技术，突破样品纯度和探测技术限制，实现国际首次单个掺杂稀土离子的光学探测。

单个掺杂稀土离子在固态掺杂发光材料具有重要应用价值。然而，自1980年代(Europhys. Lett. 6, 499 (1988))开始直到2012年的20多年研究中，以探测单个掺杂稀土离子的尝试均未取得成功。光学探测单个掺杂稀土离子到多方面的挑战，主要包括有样品中掺杂的纯度和光学探测技术的限制。通常情况下，样品内稀土离子杂质浓度仅仅低到~1 ppm, 1/10⁶，在常规光学探测技术之下，该浓度仍然太高而无法实现单个掺杂稀土离子分辨。另外，稀土离子4f态光学寿命长，针对4f-4f跃迁的发光，荧光强度弱、探测效率低，受到传统光学显微技术收集效率的限制，使得信噪比低，从而无法将微弱信号从背景中有效区分出来。

我们针对这些难点，通过制备超纯晶体、搭建高探测效率无背景激光扫描光学显微镜、以及发展相关微纳光学器件等手段，逐步实现了单个掺杂稀土离子的光学探测。首先，在提高样品掺杂纯度方面，将Pr³⁺与Ce³⁺在晶体中掺杂浓度降低4个数量级，使得纯度分别达到50 ppt (5/10¹¹)与70 ppt(7/10¹¹)，实现了显微聚焦范围内激光仅激发单一掺杂离子的样品基础。与此同时，在检测方法上，并通过搭建高探测效率上转换显微扫描成像平台，发展了激发稀土离子上转换荧光的方式，将掺杂稀土离子发光效率由125 kHz提高到55 MHz，提升了3个数量级，并实现了无背景探测，有效提高信噪比。在国际上首次实现固态单个掺杂稀土离子(Pr³⁺:YAG)光学探测，成功研制了新型室温固态稀土离子无背景上转换荧光单光子源，其具有稳定性强及信噪比高等诸多优越性。继而完成了对单个掺杂Ce³⁺的光学探测，并制备室温单个掺杂Ce离子单光子源。相关成果分别发表在 Nat. Commun. 3, 1029 (2012) ，Phys. Rev. Lett. 111, 120502, (2013)。

另外，在提高单个掺杂稀土离子在晶体中的探测方面，我们与合作者共同发展超分辨显微成像的新方法，空间分辨率达到30 nm。并首次实现基于掺杂稀土离子的上转换超分辨成像与单个掺杂离子超分辨成像。 该工作发表于Phys. Rev. B 84, 153413 (2011)、Phys. Rev. Lett. 120, 033903 (2018) 。

 b. 发展光谱-自旋调控关键技术，研究掺杂稀土离子精密谱学，将单个掺杂稀土离子体系拓展为自旋量子体系。

       光学探测单个掺杂稀土离子为研究掺杂稀土离子精密光谱测量与自旋调控提供新平台。对于其自旋的操控，需在低温下将单个掺杂离子自旋初始化，并通过光谱-微波关联调控技术中一系列复杂的时间域-频率域-空间域关联调控手段操控单个掺杂稀土离子自旋并测量其发光性质变化。

我们进一步研发低温光谱-自旋关联调控技术，搭建了低温共聚焦激光扫描显微镜并整合基于微波的量子调控技术，寻找单个稀土离子特定选择定则，通过光学手段初始化单个掺杂稀土自旋，使用光泵磁共振、动力学解耦、电磁传感透明等手段操控并测量单个掺杂稀土离子精密光谱与自旋性质。在光谱研究中克服Pr³⁺离子光谱50 GHz非均匀展宽限制，探测到单个离子5 MHz精密光谱，将光学线宽降低4个数量级。在自旋调控中量子调控单个Ce³⁺离子发光性质，将单个Ce离子自旋相干时间从200 ns到2 ms提升4个数量级等。相关研究成果发表在Nat. Commun. 5, 3895, (2014)，Phys. Rev. Lett. 115, 093602 (2015) 。我们一系列的工作将单个掺杂稀土离子从单光子源拓展为新的光操控自旋量子体系。同时单个掺杂稀土离子光学与自旋的调控的成功实现，使得其成为富有前景的光控自旋量子新体系，并有望将其应用于量子计算与纳米尺度精密测量。

 构建超高品质稀土晶体评估体系并发展高性能单个离子制备技术。我国具有丰富的生长稀土掺杂激光晶体的经验和产业，但用于单个掺杂稀土离子探测与调控所需的超纯稀土晶体（掺杂浓度<100 ppt 1/10¹⁰）生长还比较欠缺。我们计划通过固态稀土离子光谱技术来评估超纯晶体掺杂离子浓度，提升国内制备晶体水平。我们进一步计划通过离子注入的方法，在纳米级别精确制备单稀土离子，为掺杂稀土离子光谱-自旋调控的研究提供核心技术支撑。

    我们计划搭建单个掺杂稀土光探测平台，对多种单个离子级别稀土(Pr、Ce、Yb离子)光学性质进行研究。实验平台整合低温/超低温制冷仪、激光扫描共聚焦显微镜、双光子上转换显微镜、不同波段窄线宽激光器、超快脉冲激光器、超导单光子探测器、时间相关关联技术器与高分辨率光谱仪以实现单个掺杂稀土离子探测。

    实现多种单个掺杂稀土离子探测与调控。我们计划通过构建的单个掺杂稀土离子探测平台，在频率域和空间域探测单个掺杂稀土离子，在单离子水平实现探索不同晶体内多种类掺杂稀土性质。我们拟通过精密光谱技术和高分辨显微技术进一步深入研究单个稀土离子光谱性质。同时，系统将整合外加磁场、共面波导、微波、射频输出以及任意波发生器，对单个掺杂稀土离子自旋进行研究，满足不同科学研究的任务需求。

2. 光与单个掺杂稀土离子相互作用

单个光子与单个掺杂离子间相互作用是光与物质相互作用的极限，它可以实现单个光子与单个掺杂离子的量子调控，并在计算、模拟等领域具有重要的应用前景。

光学芯片上集成单个掺杂稀土离子，实现光学腔与单离子耦合。大多数的掺杂稀土离子的光学激发态寿命较长，使得直接光学探测单个掺杂稀土离子具有相当难度。另一方面，当掺杂稀土离子与微纳光学腔耦合，因为Purcell效应，可以有效的缩减耦合稀土离子激发态寿命，增强荧光强度，使得它们可以被光学探测。申请人计划通过研制并发展固态微纳加工技术，制备高品质因子微纳光学腔。实现单个掺杂稀土离子和微纳光学腔的耦合，通过腔量子电动力学(Purcell效应)降低稀土离子激发态寿命，提高发光效率，从而在单离子水平探测并研究更多种类的稀土离子。

我们现阶段已经成功实现铌酸锂光学微腔的制备(Optica 9, 445 (2022))，并将Yb离子与微腔耦合，通过腔量子电动力学将Yb的辐射跃迁寿命缩减10倍，从而实现单个Yb离子探测。

3. 金刚石NV色心量子精密测量

  a.  超高灵敏度温度传感器

金刚石中的NV被学界广泛关注，因为它不仅可以作为单光子源在量子信息中起到重要作用，更重要的是它可以被用于纳米尺度量子传感。NV色心对磁场、电场梯度、应力和温度都有敏感响应，目前基于NV色心的各种类型的传感器不断涌现出来。例如，NV色心自旋跃迁的频率随温度变化，是灵敏的温度传感器，灵敏度可以达到5 mK/Hz^1/2。但此温度传感灵敏度在测量单细胞凋零时还远远不够(理论预测是~10 µK)。我们将含有NV色心的纳米金刚石与温度响应磁性纳米颗粒相结合，制备出新型纳米尺度复合型量子温度传感器。这种新型复合型量子传感器可以把基于NV色心的温度传感的灵敏度从现有的5 mK/Hz^1/2提高到了76 µK/Hz^1/2。相关成果发表于 Natl. Sci. Rev. nwaa194 (2021)。

b. 高精度纳米尺度量子传感

我们提出一种新型量子精密测量方式：通过获取紧贴在物体表面纳米金刚石三维转动信息，重构出物体表面形变信息。并通过实验证明，该方法将测量到形变测量轴向精度提高到5 nm，比分辨荧光显微方法的精确度提高1个数量级。并首次探测到纳米尺度表面张力对物体形变的影响。该方法，可以为研究细胞等软物质在纳米尺度力学响应提供一个新平台。我们进一步在测量金刚石三维转动的基础上引入三维平动追踪，实现了对纳米颗粒的“平动-转动-追踪”的实时监控。并将该方法运用于活体细胞生物活性研究。该方法的使用使得NV成为有种新的生物活体量子探针。我们搭建共聚焦显微镜-AFM-光泵磁共振联用平台以及双扫描信道六维追踪实验平台并设计实验、完成样品制备以及实验测量，相关成果发表于Nat. Commun. 10, 3259, (2019) 与Nano Lett. 21, 3393 (2021)。

4. 无光胶激光直写金属微纳结构

  在从事基础研究同时，我们努力发展了相关应用技术。

    在对自旋量子体系操控中，微波需要从微纳结构波导引入，精准高效制备辐射结构，一直是一个困扰学界的问题。通常，制备微纳金属结构需在超净室内使用一系列昂贵的仪器以及繁琐的制备过程和较低的成品率。为了简化这些过程，我们提出了通过激光诱导光阱技术将半导体纳米颗粒捕捉在聚焦光束内，同时通过光激发电离，原位还原金属盐溶液内金属，实现单步材料微纳直写。这种新型材料直写技术极大化简了传统微纳加工工艺中的步骤和所需仪器可以成为材料领域新技术。我们在中Nanoscale 12, 11063 (2020) 研究光化学机理，并在Nat. Commun. 11, 5334 (2020) 成功实现这种新型材料单步微纳直写方法，并将这种高效精准的微纳材料直写技术申请中国、欧盟、北美专利各一项。