近日，中科院合肥物質(zhì)科學研究院固體物理研究所研究員劉曉迪等與中國科學技術(shù)大學教授李傳鋒、教授許金時、研究員王俊峰（現(xiàn)四川大學）等合作，在國際上首次實現(xiàn)了基于碳化硅中硅空位色心的高壓原位量子磁探測。該技術(shù)在高壓超導及磁性材料領(lǐng)域具有重要意義。相關(guān)研究結(jié)果日前發(fā)表于《自然-材料學》。

目前高壓技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括物理學、材料科學、地球物理和化學等。近年來高壓下氫化物體系實現(xiàn)了近室溫超導，引起了極大的關(guān)注。然而，原位高分辨磁測量一直是高壓科學研究的難題，并制約著高壓超導邁斯納效應(yīng)和磁性相變行為研究的進展。

針對這一難題，研究團隊對碳化硅色心自旋體系進行研究，發(fā)現(xiàn)碳化硅色心可以用于高壓磁探測研究。進一步地，研究團隊加工了碳化硅對頂砧，替代了常用的金剛石對頂砧，在碳化硅砧面上通過離子注入產(chǎn)生淺層硅空位色心，并利用淺層色心實現(xiàn)高壓下的原位磁性探測。碳化硅中的硅空位色心只有單個軸向，由于其電子結(jié)構(gòu)的特殊對稱性，該色心電子自旋的零場分裂對溫度不敏感，能夠很好地避免金剛石NV色心在高壓傳感應(yīng)用中的多軸向譜圖難解析和溫變問題。

研究團隊研究了硅空位色心在高壓下的光學和自旋性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其光譜會發(fā)生藍移，而且其自旋零場分裂值隨壓力變化很小，遠小于金剛石NV色心的變化斜率14.6 兆赫茲/吉帕，這將有利于測量和分析高壓下的光探測磁共振譜。基于此，研究組通過硅空位色心光探測磁共振技術(shù)觀測到了釹鐵硼磁體在7吉帕左右的壓致磁相變，并測量得到釔鋇銅氧超導體的臨界溫度-壓力相圖。

該實驗發(fā)展了基于固態(tài)色心自旋的高壓原位磁探測技術(shù)。相對于金剛石，碳化硅材料加工工藝成熟，可大尺寸生長和制備，價格便宜，其制備的壓砧在低壓區(qū)可以提供更大的樣品體積。在這些碳化硅壓砧中集成磁傳感器為高壓超導磁探測以及磁性材料相變研究提供了一個優(yōu)異的研究平臺。

該工作得到審稿人的高度評價：“我發(fā)現(xiàn)這項工作非常有趣，通過展示碳化硅中室溫自旋缺陷作為原位高壓傳感器的使用，我認為這項工作可以為使用碳化硅對頂砧的量子材料的新研究打開大門。”
審核編輯：彭菁