中科大等實現基于碳化硅中硅空位色心的高壓原位磁探測

　　中國科學技術大學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展。該團隊李傳鋒、許金時、王俊峰等與中科院合肥物質科學研究院固體物理研究所高壓團隊研究員劉曉迪等合作，在國際上首次實現了基于碳化硅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。3月23日，相關研究成果以Magnetic detection under high pressures using designed silicon vacancy centres in silicon carbide為題，在線發表在《自然·材料》上。

　　高壓技術廣泛應用于物理學、材料科學、地球物理和化學等領域。特別是壓力下高臨界溫度超導體的實現，引起了學術界的關注。然而，原位高分辨率的磁測量是高壓科學研究的難題，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。為了解決這一關鍵難題，金剛石NV色心的光探測磁共振技術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生淺層硅空位色心，并利用淺層色心實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軸向，且因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，可較好地避免金剛石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，且其自旋零場分裂值隨壓力變化較小（0.31 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體的臨界溫度-壓力相圖。實驗裝置和實驗結果如圖所示。該實驗發展了基于固態色心自旋的高壓原位磁探測技術。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優異的量子研究平臺。

　　該成果得到審稿人的高度評價：“總的來說，我發現這項工作非常有趣，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。”

　　研究工作得到科技部、國家自然科學基金、中科院、安徽省、中國科大和四川大學的支持。

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