新型二维量子传感器突破性进展为磁场检测带来新机遇

"量子传感器使我们能够探测各种物理量的纳米级变化。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，从而带来了新物理现象和新功能的发现，" 该研究的共同第一作者、剑桥大学卡文迪许实验室的卡门·吉拉尔多尼博士说。"这项工作利用六方氮化硼（hBN）将该能力提升至新水平，六方氮化硼这种材料不仅兼容纳米级应用，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，在环境条件下实现纳米级量子磁力测量，只能借助金刚石中的氮空位（NV）中心缺陷。虽然是一项强大的技术，但这些传感器因其基本的光物理特性而存在局限。尤其是，NV中心是单轴传感器，磁场检测的动态范围有限。相比之下，剑桥团队开发的六方氮化硼传感器没有这些限制，相反，它提供了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，并对其优越传感特性的起源提供了机理层面的理解。重要的是，团队揭示了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。

六方氮化硼（hBN）是一种类似于石墨烯的二维材料，可以被剥离至仅几个原子层厚。hBN晶格中的原子尺度缺陷以一种对局部磁环境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者。

在本研究中，团队使用一种称为光探测磁共振（ODMR）的技术，研究了hBN缺陷荧光对磁场变化的响应。通过仔细追踪自旋响应，并将其与光子发射动力学的详细分析相结合，团队得以揭示该系统的底层光学速率及其与缺陷对称性的关联，并阐明这种组合如何造就了一个鲁棒且多功能的磁场传感器。

"ODMR并非新技术——但我们证明，基于六方氮化硼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一扇以前无法实现的大门，使我们能够以全新的方式对磁现象和纳米材料进行成像，" 该论文的共同第一作者西莫内·艾扎吉尔·巴克博士说。

"这种传感器可能为研究新材料系统中的磁现象开辟道路，或者实现比以前更高的空间分辨率，" 与梅特·阿塔图雷教授在卡文迪许实验室共同领导这项研究的汉娜·斯特恩教授说。"主体材料的二维性质也为使用该传感器开启了令人兴奋的新可能性。例如，该技术的空间分辨率由样品与传感器之间的距离决定。凭借原子级厚度的材料，我们有可能实现磁场的原子级空间映射。"