天天快訊:中國科大等實現(xiàn)基于碳化硅中硅空位色心的高壓原位磁探測

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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、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，在國際上首次實現(xiàn)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，在線發(fā)表在《自然·材料》上。高壓技術(shù)廣泛應(yīng)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(dǎo)體的實現(xiàn)，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(dǎo)抗磁行為和磁性相變行為的研究。傳統(tǒng)的高壓磁測量手段如超導(dǎo)量子干涉儀難以實現(xiàn)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(dǎo)磁性相變檢測。而由于NV色心具有四個軸向，且其電子自旋的零場分裂是溫度依賴的，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，且因電子結(jié)構(gòu)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，可較好地避免金剛石NV色心在高壓傳感應(yīng)用中遇到的問題。研究組刻畫了硅空位色心在高壓下的光學(xué)和自旋性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其光譜會藍(lán)移，且其自旋零場分裂值隨壓力變化較小(0.31 MHz/GPa)，遠(yuǎn)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(chǔ)，研究組基于硅空位色心光探測磁共振技術(shù)觀測到釹鐵硼磁體在7GPa左右的壓致磁相變，并測量得到釔鋇銅氧超導(dǎo)體的臨界溫度-壓力相圖。實驗裝置和實驗結(jié)果如圖所示。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)。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格優(yōu)勢。該工作為磁性材料特別是室溫超導(dǎo)體高壓性質(zhì)的刻畫提供了優(yōu)異的量子研究平臺。該成果得到審稿人的高度評價：“總的來說，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(rèn)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。”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。實驗結(jié)果和示意圖。a、碳化硅對頂砧和淺層硅空位色心探測磁性樣品示意圖；b、硅空位色心零場劈裂隨壓力的變化關(guān)系；c、釹鐵硼材料的磁性相變探測；d、釔鋇銅氧超導(dǎo)材料的Tc-P相圖；e、基于碳化硅中硅色心實現(xiàn)高壓原位磁探測的示意圖。