中國科大首次實(shí)現(xiàn)基于碳化硅中硅空位色心的高壓原位磁探測

中國科技大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在碳化硅色心高壓量子精密測量研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、許金時(shí)、王俊峰等人與中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體所高壓團(tuán)隊(duì)劉曉迪研究員等合作，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了基于碳化硅中硅空位色心的高壓原位磁探測，該技術(shù)在高壓量子精密測量領(lǐng)域具有重要意義。3月23日研究成果以“Magnetic detection under high pressures using designed silicon vacancy centres in silicon carbide” 為題在線發(fā)表在國際知名期刊《自然·材料》上。

高壓技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、材料科學(xué)、地球物理和化學(xué)等領(lǐng)域。特別是壓力下高臨界溫度超導(dǎo)體的實(shí)現(xiàn)，引起了學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。然而一直以來，原位高分辨率的磁測量是高壓科學(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。傳統(tǒng)的高壓磁測量手段，如超導(dǎo)量子干涉儀難以實(shí)現(xiàn)金剛石對頂砧中微米級(jí)樣品的弱磁信號(hào)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NV色心的光探測磁共振技術(shù)已被用于原位壓力誘導(dǎo)磁性相變檢測。然而，由于NV色心具有四個(gè)軸向，并且其電子自旋的零場分裂是溫度依賴的，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，研究組加工了碳化硅對頂砧（又稱為莫桑石對頂砧），然后在碳化硅臺(tái)面上利用離子注入產(chǎn)生淺層硅空位色心，并利用淺層色心實(shí)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(gè)軸向，而且由于電子結(jié)構(gòu)的特殊對稱性，該色心電子自旋的零場分裂是溫度不敏感的，能夠很好地避免金剛石NV色心在高壓傳感應(yīng)用中遇到的問題。

研究組首先刻畫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(huì)藍(lán)移，而且其自旋零場分裂值隨壓力變化很小（0.31 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。在此基礎(chǔ)上，研究組基于硅空位色心光探測磁共振技術(shù)觀測到了釹鐵硼磁體在7GPa左右的壓致磁相變，并測量得到釔鋇銅氧超導(dǎo)體的臨界溫度-壓力相圖。實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示。該實(shí)驗(yàn)發(fā)展了基于固態(tài)色心自旋的高壓原位磁探測技術(shù)。碳化硅材料加工工藝成熟，可大尺寸制備并且相對金剛石有很大的價(jià)格優(yōu)勢，該工作為磁性材料特別是室溫超導(dǎo)體高壓性質(zhì)的刻畫提供了一個(gè)優(yōu)異的量子研究平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和示意圖。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基于碳化硅中硅色心實(shí)現(xiàn)高壓原位磁探測的示意圖。

該工作得到審稿人的高度評價(jià)：“總的來說，我發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)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(xiàng)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（Overall, I found the work quite interesting – by demonstrating the use of room-temperature spin-defects in SiC as in-situ high pressure sensors, I think the work could open the door to new studies of quantum materials using Moissanite anvil cells. ”）。