近期，依托中國科學技術(shù)大學組建的中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院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、王俊峰等人與中科院合肥物質(zhì)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(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域具有重要意義。3月23日研究成果以“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》雜志上 [Nature Materials (2023)]。

? Nature

高壓技術(shù)已經(jīng)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(xiàn)，引起了學術(shù)界的極大關注。然而一直以來，原位高分辨率的磁測量是高壓科學研究的難題，并制約著高壓超導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。為了解決這一關鍵核心難題，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。然而，由于NV色心具有四個軸向，并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（又稱為莫桑石對頂砧），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，而且由于電子結(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，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(zhì)，發(fā)現(xiàn)其光譜會藍移，而且其自旋零場分裂值隨壓力變化很小（0.31 MHz/GPa），遠小于金剛石NV色心的變化斜率14.6 MHz/GPa。這將有利于測量和分析高壓下的光探測磁共振譜。在此基礎上，研究組基于硅空位色心光探測磁共振技術(shù)觀測到了釹鐵硼磁體在7 GPa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(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，可大尺寸制備并且相對金剛石有很大的價格優(yōu)勢，該工作為磁性材料特別是室溫超導體高壓性質(zhì)的刻畫提供了一個優(yōu)異的量子研究平臺。

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系

(c)釹鐵硼材料的磁性相變探測

(d)釔鋇銅氧超導材料的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

該工作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（"Overall, I found the work quite interesting – by demonstrating the use of room-temperature spin-defects in SiC as in-situ high pressure sensors, I think the work could open the door to new studies of quantum materials using Moissanite anvil cells. "）。

中科院量子信息重點實驗室王俊峰特任副研究員（現(xiàn)四川大學研究員）、合肥研究院博士生劉琳及劉曉迪研究員為論文共同第一作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學院、安徽省、中國科學技術(shù)大學和四川大學的資助。

論文鏈接：

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