基于氮-空位色心的微弱静磁场成像测量方法-编制说明

《基于氮－空位色心的微弱静磁场成像测量方法》

国家标准编制说明

一、工作简况

（一）任务来源及协作单位

2022年12月13日，国家标准化管理委员会发布《关于下达2022年

第三批推荐性国家标准计划及相关标准外文版计划的通知》（国标委发

〔2022〕39号），下达了《基于氮－空位色心的微弱静磁场成像测量方法》

推荐性国家标准的制定任务，计划号：20221340-T-469，任务周期12个

月。本标准由全国量子计算与测量标准化技术委员会（SAC/TC578）提

出并归口管理，由国仪量子（合肥）技术有限公司、中国科学技术大学、

济南量子技术研究院、北京航空航天大学、中国科学技术大学上海研究

院、中北大学、之江实验室、中国科学院物理研究所、中国航空工业集

团公司北京长城计量测试技术研究所、北京华航无线电测量研究所、南

京大学等单位共同负责标准起草。其中，国仪量子（合肥）技术有限公

司为该标准起草工作的牵头单位。

（二）制定背景

2020年10月，习近平总书记在中央政治局第二十四次集体学习时

强调，要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性，加强量子科技

发展战略谋划和系统布局，把握大趋势，下好先手棋，抢占量子科技国

际竞争制高点。近年来，安徽省委、省政府、中科院、合肥市等各级领导

高度重视量子技术的发展，聚焦量子精密测量等优势领域，催生众多“从

0到1”原创性成果，量子科技领域的科技创新实现并跑领跑。

1

以金刚石中的单个氮－位色心电子自旋为感测单元的微弱静磁场成

像技术，能够达到纳米级的空间分辨率。由于其在室温大气和低温真空

环境都能正常工作，且具有高灵敏度、定量、无损的特点，在磁学、材料

学、电子学、生命科学等领域有较高的应用价值。本标准制定了基于扫

描氮-空位色心显微镜做微弱静磁场成像的实验方法，便于不同领域的研

究人员能够准确地使用本技术获取样品的高分辨磁感应强度图像。

（三）主要工作过程

2021年2月7日，国仪量子（合肥）技术有限公司联合中国科学技

术大学成立前期工作组，启动《基于氮－空位色心的微弱静磁场成像测

量方法》标准的起草准备工作；2021年7月27日，前期工作组向全国

量子计算与测量标准化技术委员会（TC578）提交了标准的立项申报资料；

2021年12月26日，全国量子计算与测量标准化技术委员会（TC578）

全体委员投票表决通过立项申请；2022年1月26日，完成立项答辩；

2022年3月18日，完成标准草案和推荐性国家标准建议书的编制工作；

2022年6月6日，完成立项评估；2022年6月9日，完成项目审核；

2022年11月29日，完成立项公示。

2022年12月13日，国家标准化管理委员会批准立项申请，正式下

达《基于氮－空位色心的微弱静磁场成像测量方法》推荐性国家标准的

制定任务，计划号：20221340-T-469，任务周期12个月。任务下达后，

技术归口单位全国量子计算与测量标准化技术委员会（SAC/TC578）会

同项目牵头单位国仪量子（合肥）技术有限公司，面向领域内相关科研

院所、企事业单位、社会团体等，广泛开展了标准编写工作组成员单位/

起草专家的征集工作。

2

2023年3月12日，《基于氮－空位色心的微弱静磁场成像测量方

法》国家标准编写工作组正式成立。起草工作组由来自国仪量子（合肥）

技术有限公司、中国科学技术大学、济南量子技术研究院、北京航空航

天大学、中国科学技术大学上海研究院、中北大学、之江实验室、中国

科学院物理研究所、中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究

所、北京华航无线电测量研究所、南京大学共11个单位的14名专家构

成。荣星任组长，组员有王鹏飞、许克标、黄文浩、王明磊、袁珩、孙启

超、唐军、徐南阳、刘刚钦、王宇、马菁汀、黄璞、贺羽。

2023年3月12日，工作组成立大会暨第一次工作组会议召开，为

“线上线下结合”的会议方式。会议由第一起草人中国科学技术大学荣星

教授主持，国仪量子（合肥）技术有限公司、中国科学技术大学、济南量

子技术研究院、北京航空航天大学、中国科学技术大学上海研究院、中

北大学、之江实验室、中国科学院物理研究所、中国航空工业集团公司

北京长城计量测试技术研究所、北京华航无线电测量研究所、南京大学

11家单位的14位专家出席。会议进行了编写工作任务分工，制定了编写

工作计划，并要求各单位对标准草案进行意见反馈。会议共收到中国科

学技术大学、之江实验室、中国科学技术大学上海研究院、中北大学、

北京航空航天大学、中国科学院物理研究所、济南量子技术研究院、中

国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所、北京华航无线电测

量研究所等单位提出的修改意见26条。

2023年3月至2023年5月，工作组认真研究并完成了对26条意见

的修改，形成讨论稿（第二稿），并将讨论稿（第二稿）发送给工作组全

体成员单位，进行第二次修改意见征集。共收到修改意见26条，工作组

3

针对修改意见，认真研究并形成讨论稿（第三稿）。

2023年5月7日，工作组召开第二次工作会议，会议为线上会议。

会议由第一起草人中国科学技术大学荣星教授主持，国仪量子（合肥）

技术有限公司、中国科学技术大学、济南量子技术研究院、北京航空航

天大学、中国科学技术大学上海研究院、中北大学、之江实验室、中国

科学院物理研究所、中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究

所、北京华航无线电测量研究所、南京大学11家单位的14位专家出席。

会议首先听取了国仪量子（合肥）技术有限公司针对两次征求意见的逐

条回应和相应的修改结果，随后针对讨论稿（第三稿）的内容再次逐条

讨论，征询意见。会议共收到修改意见12条。

2023年5月，工作组完成对第二次会议收集的修改意见处理，完成

本标准的征求意见稿和征求意见稿编制说明。

2023年5月24日，工作组14位全体成员通过微信小程序代表所属

单位投票表决，一致同意对工作组讨论稿（第三稿）修改完善后，形成

征求意见稿和征求意见稿编制说明，向TC578标委会秘书处提交。投票

情况：应参加投票单位11家，实际参加投票单位11家，同意11家，反

对0家，弃权0家。

（四）国家标准主要起草人及其所做的工作

本标准由国仪量子（合肥）技术有限公司作为牵头单位，中国科学

技术大学、济南量子技术研究院、北京航空航天大学、中国科学技术大

学上海研究院、中北大学、之江实验室、中国科学院物理研究所、中国

航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所、北京华航无线电测量

4

研究所、南京大学等单位共同负责标准起草。主要起草人员及其工作如

下表1：

表1标准起草人员及主要工作

职称/

序号姓名单位联系方式主要工作

职务

牵头标准预研，负责标

准制定全面工作，包括

制定和推进工作计划、

1荣星教授中国科学技术大学xrong@文件收集、提出标准整

体框架和主要技术内

容，参与讨论、提供意

见建议

参与标准预研，起草标

副研究准与编制说明，组织标

2王鹏飞中国科学技术大学wpf@

员准关键技术验证，参与

讨论、提供意见和建议

参与标准预研，起草标

副总经国仪量子（合肥）

3许克标xukb@准与编制说明，参与讨

理技术有限公司

论、提供意见和建议

参与标准预研，提供标

4黄文浩教授中国科学技术大学whuang@准工作指导，标准专业

技术内容审核

正高级济南量子技术研究参与讨论、提供意见和

5王明磊wangminglei@

工程师院建议

参与讨论、提供意见和

6袁珩研究员北京航空航天大学hengyuan@

建议

7孙启超研究员中国科学技术大学Qchsun@参与讨论、提供意见和

5

职称/

序号姓名单位联系方式主要工作

职务

上海研究院建议

参与讨论、提供意见和

8唐军教授中北大学tangjun@

建议

参与讨论、提供意见和

9徐南阳研究员之江实验室nyxu@

建议

副研究中国科学院物理研参与讨论、提供意见和

10刘刚钦gqliu@

员究所建议

中国航空工业集团

参与讨论、提供意见和

11王宇副部长公司北京长城计量wangyu@

建议

测试技术研究所

高级北京华航无线电测参与讨论、提供意见和

12马菁汀majingting_weixin

工程师量研究所建议

参与讨论、提供意见和

13黄璞教授南京大学hp@

建议

参与标准预研，起草标

国仪量子（合肥）

14贺羽董事长heyu@准与编制说明，参与讨

技术有限公司

论、提供意见和建议

二、编制原则和主要内容

（一）标准编制原则

本标准文件按照GB/T1.1－2020《标准化工作导则第1部分：标准

化文件的结构和起草规则》的规定起草。

（1）在国内当前的技术条件下实现标准化目标具有完全可能性。

（2）本项目的技术与主流技术发展方向相符合。

6

（3）当前技术条件下标准可实现。

（二）确定标准主要内容的依据

目前国际上尚未有基于氮－空位色心的微弱静磁场成像测量方法。

为便于不同领域的研究人员能够准确地了解、使用本标准获取样品的高

分辨磁场图像，本标准重点对氮－空位色心做微弱磁成像的原理、氮－

空位扫描探针进行介绍。在测试方法的步骤上，本标准方法建立过程中

对氮－空位扫描探针的测试、氮－空位色心测试、进针及实验数据采集

做了详细介绍，保证试验方法的可操作性和可重复性。

（三）标准主要技术内容说明

本标准规定了使用扫描氮－空位探针显微技术对样品产生的微弱静

磁场进行成像的术语和定义、基本原理、磁成像条件、设备和仪器、样

品要求、人员要求、成像步骤、数据处理、测试报告规范等。本标准适用

于使用扫描氮－空位探针显微镜进行样品表面磁感应强度成像。

本标准的主要技术内容包括：1范围、2规范性引用文件、3术语

和定义、4原理、5设备操作条件、6设备和仪器、7样品要求、8人员

要求、9成像步骤、10数据处理、11测试报告。

三、主要试验（或验证）的分析

本标准中涉及的验证实验数据见标准文档的附件及测试报告所示。

（1）主要试验的分析

本标准对基于氮－空位色心的微弱静磁场成像测量方法进行验证。

（2）主要试验（或验证）的分析、综述报告

7

本标准使用的方法，经过扫描氮－空位探针显微镜进行样品表面磁

感应强度成像的广泛应用，其有效性得到了充分的验证，基本可以统一

基于氮－空位色心的微弱静磁场成像测量方法，为行业推荐可操作的统

一试验方法奠定基础。

（3）试验方案设计

试验对象准备：扫描氮－空位探针显微镜（SNVM）、CoFeB磁性

薄膜。

实验结果见试验验证报告。

（4）试验结果

基于上述验证试验数据的结果，可以得出结论：本标准在国内可以

有效实施。

四、采用国际标准和国外先进标准的程度

无。

五、与有关的现行法律、法规和强制性国家标准的关系

经查，本标准与现有标准及制定中的标准无交叉重复，不涉及国内

外专利，与有关的现行法律、法规和强制性国家标准无冲突。

六、标准中涉及专利的情况

未发现涉及相关专利。

七、国家标准性质的建议

鉴于本标准规定内容不涉及人身健康和生命财产安全、国家安全、

8

生态环境安全等内容，属于基础性标准。根据标准化法及有关规定，建

议本标准作为推荐性国家标准。

八、贯彻国家标准的要求和措施建议

本标准的实施，为我国基于氮－空位色心的微弱静磁场成像测量方

法提供了规范，不仅有助于对以磁性薄膜、二维磁性材料等为代表的弱

磁性样品进行磁成像；对矫顽力低的磁性样品进行磁成像；对磁结构或

磁矩密度进行定量研究以及对微观尺度电流磁场进行成像的使用，更为

我国扫描氮－空位探针显微技术的发展提供了有力支持。

建议保证标准文本的充足供应，使各相关方能够及时获取标准文本。

对于标准使用过程中容易出现的疑问，工作组做好必要、及时的解释工

作。针对不同的使用对象，有侧重点地进行标准培训和宣贯，以保证标

准的贯彻实施。

九、替代或废止现行有关标准的建议

无。

十、其他应予说明的事项

无。

《基于氮－空位色心的微弱静磁场成像测量方法》国家标准编写工作组

2023年5月26日

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附件

《基于氮－空位色心的微弱静磁场成像测量方法》

实验测试报告

1.被测样品

准备了CoFeB磁性薄膜（衬底为二氧化硅）。

图1磁性薄膜样品

2.测试设备

准备一台用于氮－空位（NV）色心做微弱磁成像实验所需的扫描氮

－空位探针显微镜。设备照片如图2所示。

图2扫描氮－空位探针显微镜的实物照片

10

3.测试过程

2023-04：国仪量子（合肥）技术有限公司使用扫描氮－空位探针显

微镜对CoFeB磁性薄膜进行测试，测试获得图像数据。

3.1采集图像数据前的准备

打开实验设备，将扫描NV探针以及待测样品分别安装在探针架和

样品台上，使得扫描氮－空位探针可以扫描任何可选的待测区域。进行

扫描氮－空位探针显微镜的软件和硬件初始化。

图3安装NV探针

3.2探针性质的测试

3.2.1打开Tuning功能，验证探针是否能够正常驱动，结果如图4所

示，探针可正常驱动。

11

图4氮－空位探针的Tuning结果

3.2.2打开Confocalscan功能，扫描获得NV色心荧光图。调整激光

光点与NV色心的相对位置，使得NV色心荧光光子计数率达到最大。

由图5可知，NV色心的荧光光子计数率约为142kc/s，优于100kc/s。

图5NV色心的Confocalscan结果

3.2.3打开光探测磁共振谱测试功能，获取NV色心的光探测磁共振

谱，如图6所示。NV色心的光探测磁共振谱对比度为25%，优于10%。

并记录NV色心的零场劈裂值为2870.3MHz。

12

图6NV色心的光探测磁共振谱

3.3下针及图像采集

3.3.1根据样品的测试需求，施加0.45mT的偏置磁场。

3.3.2打开Engage功能，设置P、I、D等实验参数，将NV探针靠

近待测样品。

图7Engage实验结果

3.3.3打开Imaging成像功能，选择等高线磁成像模式（ISO-Bmode），

扫描时设置x方向扫描范围为15μm，采集50个像素点；y方向扫描范

13

围为15μm，采集50个像素点。实验结果如图8（a）所示。

3.3.4重复对CoFeB磁性薄膜的相同位置进行扫描，确认实验结果的

正确性和可重复性。重复的实验结果如图8（b）所示。经对比，证明实

验结果可重复。

4.数据分析

对于等高线磁成像模式，实验中以光探测磁共振谱的信号强度作为

实验数据，可在实验图像中截取任意长度的实验数据进行误差分析。例

如，在图8（a）中截取图像中一行实验数据，根据等高线磁成像模式的

误差公式可计算出每点的误差结果，见图9。

图8等高线磁成像模式下，CoFeB磁性薄膜的磁成像结果

图9等高线磁成像模式的误差分析

14

目录

一、工作简况..................................................................................................1

（一）任务来源及协作单位.........................................................................1

（二）制定背景..............................................................................................1

（三）主要工作过程.....................................................................................2

（四）国家标准主要起草人及其所做的工作.............................................4

二、编制原则和主要内容..............................................................................6

（一）标准编制原则.....................................................................................6

（二）确定标准主要内容的依据.................................................................7

（三）标准主要技术内容说明.....................................................................7

三、主要试验（或验证）的分析..................................................................7

四、采用国际标准和国外先进标准的程度..................................................8

五、与有关的现行法律、法规和强制性国家标准的关系..........................8

六、标准中涉及专利的情况..........................................................................8

七、国家标准性质的建议..............................................................................8

八、贯彻国家标准的要求和措施建议..........................................................9

九、替代或废止现行有关标准的建议..........................................................9

十、其他应予说明的事项..............................................................................9

附件.................................................................................................................10

《基于氮－空位色心的微弱静磁场成像测量方法》

国家标准编制说明

一、工作简况

（一）任务来源及协作单位

2022年12月13日，国家标准化管理委员会发布《关于下达2022年

第三批推荐性国家标准计划及相关标准外文版计划的通知》（国标委发

〔2022〕39号），下达了《基于氮－空位色心的微弱静磁场成像测量方法》

推荐性国家标准的制定任务，计划号：20221340-T-469，任务周期12个

月。本标准由全国量子计算与测量标准化技术委员会（SAC/TC578）提

出并归口管理，由国仪量子（合肥）技术有限公司、中国科学技术大学、

济南量子技术研究院、北京航空航天大学、中国科学技术大学上海研究

院、中北大学、之江实验室、中国科学院物理研究所、中国航空工业集

团公司北京长城计量测试技术研究所、北京华航无线电测量研究所、南

京大学等单位共同负责标准起草。其中，国仪量子（合肥）技术有限公

司为该标准起草工作的牵头单位。

（二）制定背景

2020年10月，习近平总书记在中央政治局第二十四次集体学习时

强调，要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性，加强量子科技

发展战略谋划和系统布局，把握大趋势，下好先手棋，抢占量子科技国

际竞争制高点。近年来，安徽省委、省政府、中科院、合肥市等各级领导

高度重视量子技术的发展，聚焦量子精密测量等优势领域，催生众多“从

0到1”原创性成果，量子科技领域的科技创新实现并跑领跑。

1

以金刚石中的单个氮－位色心电子自旋为感测单元的微弱静磁场成

像技术，能够达到纳米级的空间分辨率。由于其在室温大气和低温真空

环境都能正常工作，且具有高灵敏度、定量、无损的特点，在磁学、材料

学、电子学、生命科学等领域有较高的应用价值。本标准制定了基于扫

描氮-空位色心显微镜做微弱静磁场成像的实验方法，便于不同领域的研

究人员能够准确地使用本技术获取样品的高分辨磁感应强度图像。

（三）主要工作过程

2021年2月7日，国仪量子（合肥）技术有限公司联合中国科学技

术大学成立前期工作组，启动《基于氮－空位色心的微弱静磁场成像测

量方法》标准的起草准备工作；2021年7月27日，前期工作组向全国

量子计算与测量标准化技术委员会（TC578）提交了标准的立项申报资料；

2021年12月26日，全国量子计算与测量标准化技术委员会（TC578）

全体委员投票表决通过立项申请；2022年1月26日，完成立项答辩；

2022年3月18日，完成标准草案和推荐性国家标准建议书的编制工作；

2022年6月6日，完成立项评估；2022年6月9日，完成项目审核；

2022年11月29日，完成立项公示。

2022年12月13日，国家标准化管理委员会批准立项申请，正式下

达《基于氮－空位色心的微弱静磁场成像测量方法》推荐性国家标准的

制定任务，计划号：20221340-T-469，任务周期12个月。任务下达后，

技术归口单位全国量子计算与测量标准化技术委员会（SAC/TC578）会

同项目牵头单位国仪量子（合肥）技术有限公司，面向领域内相关科研

院所、企事业单位、社会团体等，广泛开展了标准编写工作组成员单位/

起草专家的征集工作。

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2023年3月12日，《基于氮－空位色心的微弱静磁场成像测量方

法》国家标准编写工作组正式成立。起草工作组由来自国仪量子（合肥）

技术有限公司、中国科学技术大学、济南量子技术研究院、北京航