量子系统中耗散的纳米尺度热成像

能量耗散是支配物理、化学和生物系统动力学的基本过程。它也是区分量子现象与经典现象的主要特征之一。特别是在凝聚态物理学中，散射机制、量子信息丢失或拓扑保护的破坏，都深深根植于耗散发生的方式和位置的复杂细节中。尽管其至关重要，但系统的微观行为通常不以耗散来表述，因为后者在微观尺度上不是一个容易测量的量。尽管纳米尺度测温技术近期引起了广泛关注，但现有的热成像方法缺乏必要的灵敏度，且不适用于量子系统研究所需的低温运行。在此，我们报道了一种超导量子干涉纳米温度计器件，其直径小于 50 nm，位于尖锐移液管的顶端，可提供扫描低温热传感，其热灵敏度提高了四个数量级，低于 1 $\mu$K/Hz$^{1/2}$。这种非接触、非侵入式测温技术能够对极低的纳米尺度能量耗散进行热成像，在 4.2 K 下以 1 GHz 连续读取单量子比特时，其低至 Landauer 极限 40 fW。这些进展使得观测碳纳米管中单个量子点的单电子充电引起的耗散成为可能，并揭示了 hBN 封装石墨烯中由共振局域态引起的一种新型耗散机制，从而为直接对量子物质中的纳米尺度耗散过程进行成像打开了大门。