基於碳化矽中硅空位色心的高壓原位磁探測實現

記者3月28日從中國科學技術大學獲悉，該校郭光燦院士團隊李傳鋒、許金時、王俊峰等人與中科院合肥物質科學研究院固體所高壓團隊劉曉迪研究員等合作，在國際上首次實現了基於碳化矽中硅空位色心的高壓原位磁探測，該技術在高壓量子精密測量領域具有重要意義。研究成果日前線上發表在國際期刊《自然·材料》上。

目前，金剛石NV（氮空位）色心的光探測磁共振技術被用於原位壓力誘導磁性相變檢測。然而，由於NV色心具有四個軸向，並且其電子自旋的零場分裂是溫度依賴的，不利於分析和解釋測量得到的光探測磁共振譜。

為此，研究組加工了碳化矽對頂砧，然後在碳化矽臺面上利用離子注入産生淺層硅空位色心，並利用淺層色心實現高壓下的原位磁性探測。碳化矽中的硅空位色心只有單個軸向，而且由於電子結構的特殊對稱性，該色心電子自旋的零場分裂是溫度不敏感的，能夠很好地避免金剛石NV色心在高壓傳感應用中遇到的問題。

研究組首先刻畫了硅空位色心在高壓下的光學和自旋性質，發現其光譜會藍移，而且其自旋零場分裂值隨壓力變化遠小于金剛石NV色心的變化斜率。在此基礎上，研究組基於硅空位色心光探測磁共振技術觀測到了釹鐵硼磁體在7吉帕左右的壓致磁相變，並測量得到釔鋇銅氧超導體的臨界溫度—壓力相圖。

該實驗發展了基於固態色心自旋的高壓原位磁探測技術。碳化矽材料加工工藝成熟，可大尺寸製備，並且相對金剛石有很大的價格優勢，該工作為磁性材料特別是室溫超導體高壓性質的刻畫提供了一個優異的量子研究平臺。