新型二维量子传感器突破为磁场探测带来全新机遇

"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，从而促成新物理现象和功能的发现，" 该研究的共同第一作者、剑桥大学卡文迪许实验室的卡门·吉拉尔多尼博士表示。"这项工作利用六方氮化硼（hBN）将该能力提升到了新高度，这种材料不仅兼容纳米级应用，相比最先进的纳米级量子传感器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依靠金刚石中的氮空位（NV）中心缺陷。尽管这是一项强大的技术，但这些传感器因其基本光物理特性存在局限性。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传感器没有这些限制，反而呈现出具有大动态范围的多轴磁场传感器。

团队的研究展示了这种新型传感器的能力，并对其优越传感特性的物理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以及特殊的激发态光学速率共同造就了其动态范围和多维矢量探测能力。

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能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。

本研究采用光探测磁共振（ODMR）技术，系统考察了hBN缺陷荧光对磁场变化的响应。通过精确追踪自旋响应，并结合光子发射动力学的详细分析，团队揭示了系统的底层光学速率及其与缺陷对称性的关联，进而阐明这种组合如何产生出稳健且多功能的磁场传感器。

"ODMR并非新技术——但我们的研究表明，基于hBN平台构建的探测器将使该技术能应用于各种新场景。这令人兴奋，因为它为我们打开了一扇大门，得以用前所未有的方式对磁性现象和纳米材料进行成像，" 论文共同第一作者西蒙娜·埃扎吉尔·巴克博士解释道。

"这种传感器可能为研究新材料体系中的磁现象开辟道路，或以更高的空间分辨率进行观测，"与梅特·阿塔图尔教授共同领导该研究的汉娜·斯特恩教授强调。"宿主材料的二维特性还为该传感器的应用带来了激动人心的新可能性。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。"