基于碳化硅色心的高压原位量子磁探测实现

近日，中科院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员刘晓迪等与中国科学技术大学教授李传锋、教授许金时、研究员王俊峰（现四川大学）等合作，在国际上首次实现了基于碳化硅中硅空位色心的高压原位量子磁探测。该技术在高压超导及磁性材料领域具有重要意义。相关研究结果日前发表于《自然-材料学》。

基于碳化硅对顶砧的硅空位色心实现高压原位磁探测的渲染图。课题组供图

目前高压技术已经广泛应用于许多领域，包括物理学、材料科学、地球物理和化学等。近年来高压下氢化物体系实现了近室温超导，引起了极大的关注。然而，原位高分辨磁测量一直是高压科学研究的难题，并制约着高压超导迈斯纳效应和磁性相变行为研究的进展。

针对这一难题，研究团队对碳化硅色心自旋体系进行研究，发现碳化硅色心可以用于高压磁探测研究。进一步地，研究团队加工了碳化硅对顶砧，替代了常用的金刚石对顶砧，在碳化硅砧面上通过离子注入产生浅层硅空位色心，并利用浅层色心实现高压下的原位磁性探测。碳化硅中的硅空位色心只有单个轴向，由于其电子结构的特殊对称性，该色心电子自旋的零场分裂对温度不敏感，能够很好地避免金刚石NV色心在高压传感应用中的多轴向谱图难解析和温变问题。

研究团队研究了硅空位色心在高压下的光学和自旋性质，发现其光谱会发生蓝移，而且其自旋零场分裂值随压力变化很小，远小于金刚石NV色心的变化斜率14.6 兆赫兹/吉帕，这将有利于测量和分析高压下的光探测磁共振谱。基于此，研究组通过硅空位色心光探测磁共振技术观测到了钕铁硼磁体在7吉帕左右的压致磁相变，并测量得到钇钡铜氧超导体的临界温度-压力相图。

该实验发展了基于固态色心自旋的高压原位磁探测技术。相对于金刚石，碳化硅材料加工工艺成熟，可大尺寸生长和制备，价格便宜，其制备的压砧在低压区可以提供更大的样品体积。在这些碳化硅压砧中集成磁传感器为高压超导磁探测以及磁性材料相变研究提供了一个优异的研究平台。

该工作得到审稿人的高度评价：“我发现这项工作非常有趣，通过展示碳化硅中室温自旋缺陷作为原位高压传感器的使用，我认为这项工作可以为使用碳化硅对顶砧的量子材料的新研究打开大门。”