UTS和RMIT的hBN量子传感器实验装置.学分：皇家墨尔本理工大学

TMOS、ARC变革性超光学系统卓越中心（ARC Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems）的研究人员及其在RMIT大学的合作者开发了一种使用六方氮化硼（hBN）的新型2D量子传感芯片，该芯片可以同时检测温度异常和任何方向的磁场，采用一种新的、突破性的薄膜格式。

在他们发表在《自然通讯》（Nature Communications）上的论文中，他们详细介绍了一种比当前用于磁力测量的量子技术明显薄的传感器，为更便宜、更通用的量子传感器铺平了道路。

迄今为止，量子传感芯片是由金刚石制成的，因为它是一个非常强大的平台。然而，基于金刚石的传感器的局限性在于，它们只能在沿磁场方向对齐时才能检测磁场。如果不对齐，它们就会有很大的盲点。因此，由金刚石制成的磁力计必须包含多个不同对准程度的传感器。

这增加了操作的难度，因此增加了在不同应用中使用的多功能性。此外，量子传感器的刚性和三维性质意味着它接近不完全光滑的样品的能力受到限制。

TMOS副研究员Jean-Philippe Tetienne（皇家墨尔本理工大学）和首席研究员Igor Aharonovich（悉尼科技大学）及其团队正在开创一种使用hBN的新型量子传感平台。这些 hBN 晶体由原子厚的片层组成，具有柔韧性，这使得传感芯片能够适应被研究样品的形状，比金刚石更接近样品。

hBN中存在不同的缺陷，这些缺陷会产生不同的光学现象。最近发现的一种碳基缺陷，其原子结构仍未确定，可以检测任何方向的磁场，但直到现在还没有用于磁成像。

为了确定未识别缺陷的结构，该团队进行了Rabi测量实验，并将结果与hBN中也存在的众所周知的硼空位缺陷进行了比较。这种硼空位缺陷可用于在量子水平上测量温度。通过这种比较，他们发现新的缺陷表现为自旋半系统。碳缺陷的这种半自旋性质使传感器能够检测任何方向的磁场。

该团队确定，这种新的碳基半自旋传感器可以通过电激发进行控制，就像硼空位传感器一样，并且它们可以被调整以相互交互。受到这些发现的启发，他们开始展示一种hBN传感芯片，该芯片可以同时使用两种自旋缺陷来测量磁场和温度。他们的论文展示了用这种不明各向同性传感器拍摄的第一张磁性图像。

共同第一作者，来自皇家墨尔本理工大学的Sam Scholten说：“固体中光学可寻址的自旋缺陷构成了量子材料领域的一个重要工具包，因为它们有可能被用作纳米级量子传感器，更普遍地用作鲁棒的室温量子系统。

“hBN的独特和令人兴奋的是它的2D形式，它使我们的传感器更接近样品。”

共同第一作者，来自皇家墨尔本理工大学的Priya Singh说：“金刚石自旋在生物系统中作为原位探针已经使用了十多年。我渴望将我们的hBN带入不断移动的蜂窝环境中，在这种环境中，传感器的方向独立性将是一个优势。

TMOS首席研究员Igor Aharonovich说：“与金刚石相比，hbN作为通信和传感的量子光源具有许多优势。除了超薄的外形外，它还可以作为量子光源在室温下进行通信，而金刚石通常需要低温冷却。hBN也比钻石便宜得多，更容易获得。

通常，由于其极端的各向异性，这些新的低维材料提供了发现新物理学的机会。这种量子传感技术的潜在未来应用包括磁性地质特征的现场识别。与竞争技术相比，缺陷的自旋半性质也允许在更宽的频段上进行无线电光谱分析。

TMOS副研究员Jean-Phillipe Tetienne说：“这项研究的下一步是确定hBN中的原子缺陷是什么。通过了解这些因素的组成，我们可以在设计传感器设备以实现最佳性能方面取得进展。

“我对探索这种新的光学自旋缺陷的特性和机会感到兴奋。它的旋转半性质在我们的社区中是新颖的，有很多问题需要回答。

更多信息：Sam C. Scholten 等人，范德华材料中的多物种光学可寻址自旋缺陷，《自然通讯》（Nature Communications，2024 年）。DOI： 10.1038/s41467-024-51129-8

期刊信息： Nature Communications