固體所在基於碳化矽矽空位色心的高壓原位磁探測研究方麵取得突破

中科院合肥物質院固體所計算物理與量子材料研究部高壓團隊劉曉迪研究員等和中國科學技術大學李傳鋒教授 、許金時教授 、王俊峰研究員（現四川大學）等合作在國際上首次實現了基於碳化矽中矽空位色心的高壓原位量子磁探測 ，該技術在高壓超導及磁性材料領域具有重要意義 。相關研究結果以“Magnetic detection under high pressures using designed silicon vacancy centres in silicon carbide”為題發表在Nature Materials (Nat. Mater., 2023, DOI: 10.1038/s41563-023-01477-5 )上 。

目前高壓技術已經廣泛應用於許多領域 ，包括物理學 、材料科學 、地球物理和化學等 。近年來高壓下氫化物體係實現了近室溫超導 ，引起了極大的關注 。然而 ，原位高分辨磁測量一直是高壓科學研究的難題並製約著高壓超導邁斯納效應和磁性相變行為研究的進展 。傳統的高壓磁測量手段 ，如超導量子幹涉儀 ，難以實現金剛石對頂砧中較高壓力下的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 ，金剛石氮-空位色心（NV色心）的光探測磁共振技術已被證實可用於原位高壓磁探測研究 。但是 ，由於NV色心具有四個軸向 ，並且其電子自旋的零場分裂對溫度依賴 ，不利於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 ，研究團隊對碳化矽色心自旋體係進行研究，發現碳化矽色心可以用於高壓磁探測研究(Nano Lett., 22, 9943(2022)) 。在此基礎上 ，研究團隊進一步加工了碳化矽對頂砧（替代常用的金剛石對頂砧） ，在碳化矽砧麵上通過離子注入產生淺層矽空位色心 ，並利用淺層色心實現高壓下的原位磁性探測 。碳化矽中的矽空位色心隻有單個軸向 ，由於其電子結構的特殊對稱性 ，該色心電子自旋的零場分裂對溫度不敏感 ，能夠很好地避免金剛石NV色心在高壓傳感應用中的溫變問題 。

研究團隊研究了矽空位色心在高壓下的光學和自旋性質 ，發現其光譜會發生藍移 ，而且其自旋零場分裂值隨壓力變化很小（0.31 MHz/GPa） ，遠小於金剛石NV色心的變化斜率14.6 MHz/GPa ，這將有利於測量和分析高壓下的光探測磁共振譜 。基於此 ，研究組通過矽空位色心光探測磁共振技術觀測到了釹鐵硼（Nd2Fe14B）磁體在7 GPa左右的壓致磁相變 ，並測量得到釔鋇銅氧（YBa2Cu3O6.6）超導體的臨界溫度-壓力相圖 。

該實驗發展了基於固態色心自旋的高壓原位磁探測技術 。相對於金剛石 ，碳化矽材料加工工藝成熟 ，可大尺寸生長和製備 ，價格便宜 ，其製備的壓砧在低壓區可以提供更大的樣品體積 。在這些碳化矽壓砧中集成磁傳感器為高壓超導磁探測以及磁性材料相變研究提供了一個優異的研究平台 。

該工作得到審稿人的高度評價 ：“我發現這項工作非常有趣 ，通過展示碳化矽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矽對頂砧的量子材料的新研究打開大門 。”      上述工作得到了國家自然科學基金 、科技部 、中科院青促會 、中科院創新基金 、合肥物質院院長基金 、中國科學技術大學 、四川大學和安徽省等項目的支持 。

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

相關論文鏈接 ：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c03378

圖. (a)碳化矽對頂砧和淺層矽空位色心探測磁性樣品示意圖；(b)矽空位色心零場劈裂隨壓力的變化關係 ；(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)基於碳化矽對頂砧的矽空位色心實現高壓原位磁探測的渲染圖 。