新型二维量子传感器突破为磁场探测带来新机遇

"量子传感器使我们能够检测各种量的纳米级变化。在磁力测量领域，量子传感器实现了材料中电流和磁化等特性的纳米级可视化，进而发现新的物理现象和功能，" 剑桥大学卡文迪许实验室的本研究共同第一作者卡门·希拉多尼博士说。"这项研究利用hBN（六方氮化硼）将这一能力提升到了新高度，这种材料不仅适用于纳米级应用，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。"

迄今为止，在环境条件下进行纳米级量子磁力测量，只能通过金刚石中的氮空位（NV）中心缺陷实现。尽管这是一项强大的技术，但这些传感器因其基本的光物理特性而存在局限性。特别是，NV中心是单轴传感器，磁场检测的动态范围有限。相比之下，剑桥团队开发的hBN传感器不存在这些限制，它是一种具有大动态范围的多轴磁场传感器。

该团队的工作展示了这种新型传感器的能力，并对其优异传感特性的起源提供了机理上的理解。重要的是，团队发现低对称性和偶然的激发态光学速率是其具备大动态范围和矢量探测能力的原因。

hBN是一种类似于石墨烯的二维材料，可剥离至仅几个原子层的厚度。hBN晶格中的原子级缺陷以对局部磁场条件敏感的方式吸收和发射可见光，这使其成为量子传感应用的理想候选材料。

在本研究中，研究团队采用一种称为光探测磁共振（ODMR）的技术，探究了hBN缺陷荧光对磁场变化的响应。通过精确定量追踪自旋响应，并结合光子发射动力学的详细分析，团队揭示了该系统的本征光学速率及其与缺陷对称性的关联，并阐明了这种组合如何造就一种稳健且多功能的磁场传感器。

"ODMR并非新技术——但我们证明了基于hBN平台构建的探针将使该技术能够应用于各种新场景。这令人兴奋，因为它为我们开启了对磁性现象和纳米材料进行前所未有成像的大门，" 论文共同第一作者西蒙娜·艾扎吉尔·巴克博士表示。

"这种传感器可能为研究新材料系统中的磁性现象开辟道路，或者实现比以前更高的空间分辨率，" 与卡文迪许实验室的梅特·阿塔图尔教授共同领导这项研究的汉娜·斯特恩教授说。"主体材料的二维特性也为使用该传感器带来了令人兴奋的新可能性。例如，该技术的空间分辨率取决于样品与传感器之间的距离。利用原子级厚度的材料，我们有望实现原子尺度的磁场空间映射。"