中科院合肥物質(zhì)院固體所計(jì)算物理與量子材料研究部高壓團(tuán)隊(duì)劉曉迪研究員等和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李傳鋒教授、許金時(shí)教授、王俊峰研究員（現(xiàn)四川大學(xué)）等合作在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了基于碳化硅中硅空位色心的高壓原位量子磁探測(cè)，該技術(shù)在高壓超導(dǎo)及磁性材料領(lǐng)域具有重要意義。相關(guān)研究結(jié)果以“Magnetic detection under high pressures using designed silicon vacancy centres in silicon carbide”為題發(fā)表在Nature Materials (Nat. Mater., 2023, DOI: 10.1038/s41563-023-01477-5 )上。

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(xué)、材料科學(xué)、地球物理和化學(xué)等。近年來(lái)高壓下氫化物體系實(shí)現(xiàn)了近室溫超導(dǎo)，引起了極大的關(guān)注。然而，原位高分辨磁測(cè)量一直是高壓科學(xué)研究的難題并制約著高壓超導(dǎo)邁斯納效應(yīng)和磁性相變行為研究的進(jìn)展。傳統(tǒng)的高壓磁測(cè)量手段，如超導(dǎo)量子干涉儀，難以實(shí)現(xiàn)金剛石對(duì)頂砧中較高壓力下的微米級(jí)樣品的弱磁信號(hào)的高分辨率原位探測(cè)。為了解決這一關(guān)鍵核心難題，金剛石氮-空位色心（NV色心）的光探測(cè)磁共振技術(shù)已被證實(shí)可用于原位高壓磁探測(cè)研究。但是，由于NV色心具有四個(gè)軸向，并且其電子自旋的零場(chǎng)分裂對(duì)溫度依賴，不利于分析和解釋測(cè)量得到的光探測(cè)磁共振譜。

針對(duì)高壓磁探測(cè)的難題，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)碳化硅色心自旋體系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)碳化硅色心可以用于高壓磁探測(cè)研究(Nano Lett., 22, 9943(2022))。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步加工了碳化硅對(duì)頂砧（替代常用的金剛石對(duì)頂砧），在碳化硅砧面上通過(guò)離子注入產(chǎn)生淺層硅空位色心，并利用淺層色心實(shí)現(xiàn)高壓下的原位磁性探測(cè)。碳化硅中的硅空位色心只有單個(gè)軸向，由于其電子結(jié)構(gòu)的特殊對(duì)稱性，該色心電子自旋的零場(chǎng)分裂對(duì)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)用中的溫變問(wèn)題。

研究團(tuán)隊(duì)研究了硅空位色心在高壓下的光學(xué)和自旋性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其光譜會(huì)發(fā)生藍(lán)移，而且其自旋零場(chǎng)分裂值隨壓力變化很?。?.31 MHz/GPa），遠(yuǎn)小于金剛石NV色心的變化斜率14.6 MHz/GPa，這將有利于測(cè)量和分析高壓下的光探測(cè)磁共振譜?；诖?，研究組通過(guò)硅空位色心光探測(cè)磁共振技術(shù)觀測(cè)到了釹鐵硼（Nd2Fe14B）磁體在7 GPa左右的壓致磁相變，并測(cè)量得到釔鋇銅氧（YBa2Cu3O6.6）超導(dǎo)體的臨界溫度-壓力相圖。

該實(shí)驗(yàn)發(fā)展了基于固態(tài)色心自旋的高壓原位磁探測(cè)技術(shù)。相對(duì)于金剛石，碳化硅材料加工工藝成熟，可大尺寸生長(zhǎng)和制備，價(jià)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(dǎo)磁探測(cè)以及磁性材料相變研究提供了一個(gè)優(yōu)異的研究平臺(tái)。

該工作得到審稿人的高度評(píng)價(jià)：“我發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)工作非常有趣，通過(guò)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(rèn)為這項(xiàng)工作可以為使用碳化硅對(duì)頂砧的量子材料的新研究打開(kāi)大門?！?     上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部、中科院青促會(huì)、中科院創(chuàng)新基金、合肥物質(zhì)院院長(zhǎng)基金、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、四川大學(xué)和安徽省等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01477-5

相關(guān)論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c03378

圖. (a)碳化硅對(duì)頂砧和淺層硅空位色心探測(cè)磁性樣品示意圖；(b)硅空位色心零場(chǎng)劈裂隨壓力的變化關(guān)系；(c)釹鐵硼材料的磁性相變探測(cè)；(d)釔鋇銅氧超導(dǎo)材料的Tc-P相圖；(e)基于碳化硅對(duì)頂砧的硅空位色心實(shí)現(xiàn)高壓原位磁探測(cè)的渲染圖。