近期，中科院合肥研究院固體所計算物理與量子材料研究部劉曉迪團(tuán)隊聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李傳鋒、許金時教授團(tuán)隊和四川大學(xué)王俊峰研究員，首次實現(xiàn)了高壓環(huán)境下碳化硅雙空位色心自旋量子態(tài)的相干調(diào)控和高壓磁探測。相關(guān)結(jié)果以“Coherent Control and Magnetic Detection of Divacancy Spins in Silicon Carbide at High Pressures”為題發(fā)表在Nano Letters (Nano Lett., 22，9943(2022))上。      在高壓條件下物質(zhì)會表現(xiàn)出很多新奇的性質(zhì)，高壓可以誘導(dǎo)絕緣體-金屬（乃至超導(dǎo)體）轉(zhuǎn)變，例如，高壓下氫分子轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘贇洌ɡ碚擃A(yù)言其為高溫超導(dǎo)體）；高壓下鑭氫體系實現(xiàn)260 K以上的近室溫超導(dǎo)。然而，原位磁測量一直是高壓科學(xué)研究的難題并制約著高壓超導(dǎo)抗磁行為和磁性相變行為的研究?；诮饎偸瘜斦璧母邏貉芯恐?，通常樣品尺寸很小僅為微米級且不均勻，這會導(dǎo)致高壓下的磁信號弱，探測分辨率需要在微米量級。因此，發(fā)展一種新型的高壓原位磁性精密探測的手段十分必要。

研究團(tuán)隊利用碳化硅雙空位缺陷的自旋量子傳感技術(shù)，結(jié)合金剛石對頂砧（DAC）和光探測磁共振（ODMR）技術(shù)實現(xiàn)了高壓環(huán)境下碳化硅雙空位色心自旋量子態(tài)的相干調(diào)控和基于碳化硅雙空位色心自旋的壓強和磁場探測。碳化硅雙空位缺陷自旋對外部的壓強、磁場具有高靈敏響應(yīng)，這些響應(yīng)可以通過高靈敏度的ODMR譜反饋出來，由此表征高壓下樣品的壓強和磁性狀態(tài)。

研究人員對碳化硅雙空位缺陷在高壓下的光譜及自旋性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了高壓環(huán)境下碳化硅雙空位的自旋量子態(tài)相干調(diào)控，并基于此在高壓下對磁性材料釹鐵硼Nd2Fe14B的鐵磁-順磁相變進(jìn)行了探測。研究表明碳化硅雙空位的熒光光譜隨壓力發(fā)生藍(lán)移，ODMR譜共振峰隨壓力向高頻方向線性移動。其中雙空位PL5缺陷的零場分裂D值隨壓力變化的斜率最高可達(dá)25.1MHz/GPa，高壓傳感靈敏度為0.28MPa/Hz-1/2。通過讀取鄰近Nd2Fe14B樣品雙空位缺陷的ODMR譜，獲取兩個共振峰的位置，由此獲得探測磁場的大小，實現(xiàn)對壓致磁相變的探測。該研究為高壓傳感和原位精密磁探測提供了一個新的方法。

合肥研究院劉曉迪副研究員、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李傳鋒教授、許金時教授為論文共同通訊作者。博士生劉琳和王俊峰研究員為論文的共同第一作者。上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、科技部、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、合肥研究院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和四川大學(xué)等項目的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03378

圖1. 利用金剛石對頂砧產(chǎn)生高壓環(huán)境，并進(jìn)行碳化硅雙空位缺陷高壓下的光學(xué)和自旋性質(zhì)的研究。

圖2. 不同壓力下雙空位PL6缺陷的光探測磁共振峰，且利用該缺陷對釹鐵硼Nd2Fe14B材料的壓致磁相變進(jìn)行探測。