中科院合肥物質(zhì)院固體所計算物理與量子材料研究部高壓團(tuán)隊劉曉迪研究員等和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李傳鋒教授、許金時教授、王俊峰研究員（現(xiàn)四川大學(xué)）等合作在國際上首次實現(xiàn)了基于碳化硅中硅空位色心的高壓原位量子磁探測，該技術(shù)在高壓超導(dǎo)及磁性材料領(lǐng)域具有重要意義。相關(guān)研究結(jié)果以“Magnetic detection under high pressures using designed silicon vacancy centres in silicon carbide”為題發(fā)表在Nature Materials (Nat. Mater., 2023, DOI: 10.1038/s41563-023-01477-5 )上。

目前高壓技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括物理學(xué)、材料科學(xué)、地球物理和化學(xué)等。近年來高壓下氫化物體系實現(xiàn)了近室溫超導(dǎo)，引起了極大的關(guān)注。然而，原位高分辨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)邁斯納效應(yīng)和磁性相變行為研究的進(jìn)展。傳統(tǒng)的高壓磁測量手段，如超導(dǎo)量子干涉儀，難以實現(xiàn)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(guān)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(shù)已被證實可用于原位高壓磁探測研究。但是，由于NV色心具有四個軸向，并且其電子自旋的零場分裂對溫度依賴，不利于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(tuán)隊對碳化硅色心自旋體系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)碳化硅色心可以用于高壓磁探測研究(Nano Lett., 22, 9943(2022))。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊進(jìn)一步加工了碳化硅對頂砧（替代常用的金剛石對頂砧），在碳化硅砧面上通過離子注入產(chǎn)生淺層硅空位色心，并利用淺層色心實現(xiàn)高壓下的原位磁性探測。碳化硅中的硅空位色心只有單個軸向，由于其電子結(jié)構(gòu)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(yīng)用中的溫變問題。

研究團(tuán)隊研究了硅空位色心在高壓下的光學(xué)和自旋性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其光譜會發(fā)生藍(lán)移，而且其自旋零場分裂值隨壓力變化很?。?.31 MHz/GPa），遠(yuǎn)小于金剛石NV色心的變化斜率14.6 MHz/GPa，這將有利于測量和分析高壓下的光探測磁共振譜?；诖耍芯拷M通過硅空位色心光探測磁共振技術(shù)觀測到了釹鐵硼（Nd2Fe14B）磁體在7 GPa左右的壓致磁相變，并測量得到釔鋇銅氧（YBa2Cu3O6.6）超導(dǎo)體的臨界溫度-壓力相圖。

該實驗發(fā)展了基于固態(tài)色心自旋的高壓原位磁探測技術(shù)。相對于金剛石，碳化硅材料加工工藝成熟，可大尺寸生長和制備，價格便宜，其制備的壓砧在低壓區(qū)可以提供更大的樣品體積。在這些碳化硅壓砧中集成磁傳感器為高壓超導(dǎo)磁探測以及磁性材料相變研究提供了一個優(yōu)異的研究平臺。

該工作得到審稿人的高度評價：“我發(fā)現(xiàn)這項工作非常有趣，通過展示碳化硅中室溫自旋缺陷作為原位高壓傳感器的使用，我認(rèn)為這項工作可以為使用碳化硅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(xué)基金、科技部、中科院青促會、中科院創(chuàng)新基金、合肥物質(zhì)院院長基金、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、四川大學(xué)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(guān)論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c03378

圖. (a)碳化硅對頂砧和淺層硅空位色心探測磁性樣品示意圖；(b)硅空位色心零場劈裂隨壓力的變化關(guān)系；(c)釹鐵硼材料的磁性相變探測；(d)釔鋇銅氧超導(dǎo)材料的Tc-P相圖；(e)基于碳化硅對頂砧的硅空位色心實現(xiàn)高壓原位磁探測的渲染圖。