剑桥物理学家开创原子薄量子磁传感器
剑桥研究人员使用 hBN 创建了一种量子传感器，与金刚石传感器相比，具有新的成像可能性，提供了改进的磁场检测。
剑桥大学的一组物理学家在量子传感方面取得了重大突破，表明六方氮化硼 （hBN） 中的自旋缺陷在室温下可以充当强大的传感器。这些传感器能够在多个方向上检测纳米级磁场。这些研究结果发表在《自然通讯》上，代表了朝着更实用、更灵活的量子技术迈进的关键进展。
“量子传感器使我们能够检测各种数量的纳米级变化。就磁力测量而言，量子传感器能够对材料中的电流和磁化等特性进行纳米级可视化，从而发现新的物理学和功能，“Cambrdge 卡文迪什实验室这项研究的共同第一作者 Carmem Gilardoni 博士说。“这项工作使用 hBN 将这种能力提升到了一个新的水平，这种材料不仅与纳米级应用兼容，而且与最先进的纳米级量子传感器相比，还提供了新的自由度。”
超越金刚石传感器
到目前为止，室温下的纳米量子磁力测量只能使用金刚石中的氮空位 （NV） 中心缺陷。尽管有效，但由于其潜在的光物理学，这些传感器面临局限性。具体来说，NV 中心沿单轴检测磁场，并且动态范围有限。相比之下，剑桥团队开发的基于 hBN 的传感器通过实现具有更宽动态范围的多轴磁场检测来克服这些挑战。
研究人员不仅展示了传感器的功能，还揭示了其性能背后的物理原因。他们发现，传感器的宽动态范围和检测矢量磁场的能力源于 hBN 缺陷的低对称性及其有利的激发态光学特性。
hBN 作为量子传感材料的潜力
hBN 是一种二维材料，类似于石墨烯，可以剥落到只有几个原子层厚。hBN 晶格中的原子尺度缺陷以对局部磁条件敏感的方式吸收和发射可见光，使其成为量子传感应用的理想候选者。
在这项研究中，该团队使用一种称为光学检测磁共振 （ODMR） 的技术研究了 hBN 缺陷荧光对磁场变化的响应。通过仔细跟踪自旋响应并将其与对光子发射动力学的详细分析相结合，该团队可以揭示系统的潜在光速率及其与缺陷对称性的联系，以及这种组合如何产生坚固且多功能的磁场传感器。
解锁量子成像的新应用
“ODMR 并不是一项新技术，但我们已经证明，使用 hBN 平台构建的探针将使这项技术能够应用于各种新情况。这令人兴奋，因为它以我们以前无法做到的方式为对磁现象和纳米材料进行成像打开了大门，“该论文的共同第一作者 Simone Eizagirre Barker 博士说。
“这种传感器可以为研究新材料系统中的磁现象打开大门，或者以比以前更高的空间分辨率，”与卡文迪什实验室的 Mete Atatüre 教授共同领导这项研究的 Hannah Stern 教授说。“主体材料的二维特性也为使用该传感器开辟了令人兴奋的新可能性。例如，该技术的空间分辨率由样品和传感器之间的距离决定。使用原子级薄材料，我们有可能实现原子尺度的磁场空间映射。
参考文献：“用于矢量量子磁力测量的六方氮化硼的单次自旋”，作者：Carmem M. Gilardoni、Simone Eizagirre Barker、Catherine L. Curtin、Stephanie A. Fraser、Oliver。F. J. Powell、Dillon K. Lewis、Xiaoxi 邓、Andrew J. Ramsay、Sonachand Adhikari、Chi Li、Igor Aharonovich、Hark Hoe Tan、Mete Atatüre 和 Hannah L. Stern，2025 年 5 月 28 日，自然通讯。