我国首次实现基于碳化硅中硅空位色心的高压原位磁探测

记者3月28日从中国科学技术大学获悉，该校郭光灿院士团队李传锋、许金时、王俊峰等人与中科院合肥物质科学研究院固体所高压团队刘晓迪研究员等合作，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磁探测，该技术在高压量子精密测量领域具有重要意义。研究成果日前在线发表在国际期刊《自然·材料》上。

传统的高压磁测量手段，如超导量子干涉仪难以实现金刚石对顶砧中微米级样品的弱磁信号的高分辨率原位探测。为解决这一关键核心难题，金刚石NV色心的光探测磁共振技术已被用于原位压力诱导磁性相变检测。然而，由于NV色心具有四个轴向，并且其电子自旋的零场分裂是温度依赖的，不利于分析和解释测量得到的光探测磁共振谱。

针对高压磁探测难题，研究组加工了碳化硅对顶砧，然后在碳化硅台面上利用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，而且由于电子结构的特殊对称性，该色心电子自旋的零场分裂是温度不敏感的，能够很好地避免金刚石NV色心在高压传感应用中遇到的问题。研究组首先刻画了硅空位色心在高压下的光学和自旋性质，发现其光谱会蓝移，而且其自旋零场分裂值随压力变化远小于金刚石NV色心的变化斜率。在此基础上，研究组基于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。碳化硅材料加工工艺成熟，可大尺寸制备并且相对金刚石有很大的价格优势，该工作为磁性材料特别是室温超导体高压性质的刻画提供了一个优异的量子研究平台。

该工作得到审稿人的高度评价：“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。”