中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊在碳化硅色心高壓量子精密測量研究中取得重要進(jìn)展。該團隊李傳鋒、許金時(shí)、王俊峰等與中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所高壓團隊研究員劉曉迪等合作，在國際上首次實(shí)現了基于碳化硅中硅空位色心的高壓原位磁探測。該技術(shù)在高壓量子精密測量領(lǐng)域具有重要意義。3月23日，相關(guān)研究成果以Magnetic detection under high pressures using designed silicon vacancy centres in silicon carbide為題，在線(xiàn)發(fā)表在《自然·材料》上。
高壓技術(shù)廣泛應用于物理學(xué)、材料科學(xué)、地球物理和化學(xué)等領(lǐng)域。特別是壓力下高臨界溫度超導體的實(shí)現，引起了學(xué)術(shù)界的關(guān)注。然而，原位高分辨率的磁測量是高壓科學(xué)研究的難題，制約高壓超導抗磁行為和磁性相變行為的研究。傳統的高壓磁測量手段如超導量子干涉儀難以實(shí)現金剛石對頂砧中微米級樣品的弱磁信號的高分辨率原位探測。為了解決這一關(guān)鍵難題，金剛石NV色心的光探測磁共振技術(shù)已被用于原位壓力誘導磁性相變檢測。而由于NV色心具有四個(gè)軸向，且其電子自旋的零場(chǎng)分裂是溫度依賴(lài)的，不利于分析和解釋測量得到的光探測磁共振譜。
針對高壓磁探測的難題，研究組加工了碳化硅對頂砧（又稱(chēng)莫桑石對頂砧），然后在碳化硅臺面上利用離子注入產(chǎn)生淺層硅空位色心，并利用淺層色心實(shí)現高壓下的原位磁性探測。碳化硅中的硅空位色心只有單個(gè)軸向，且因電子結構的特殊對稱(chēng)性，該色心電子自旋的零場(chǎng)分裂是溫度不敏感的，可較好地避免金剛石NV色心在高壓傳感應用中遇到的問(wèn)題。
研究組刻畫(huà)了硅空位色心在高壓下的光學(xué)和自旋性質(zhì)，發(fā)現其光譜會(huì )藍移，且其自旋零場(chǎng)分裂值隨壓力變化較?。?.31 MHz/GPa），遠小于金剛石NV色心的變化斜率14.6 MHz/GPa。這將利于測量和分析高壓下的光探測磁共振譜。以此為基礎，研究組基于硅空位色心光探測磁共振技術(shù)觀(guān)測到釹鐵硼磁體在7GPa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。實(shí)驗裝置和實(shí)驗結果如圖所示。該實(shí)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)。碳化硅材料加工工藝成熟，可大尺寸制備，且相對金剛石具有較大的價(jià)格優(yōu)勢。該工作為磁性材料特別是室溫超導體高壓性質(zhì)的刻畫(huà)提供了優(yōu)異的量子研究平臺。
該成果得到審稿人的高度評價(jià)：“總的來(lái)說(shuō)，我發(fā)現這項工作非常有趣，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(kāi)大門(mén)?！?br/>
研究工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金、中科院、安徽省、中國科大和四川大學(xué)的支持。
