新型二维量子传感器突破性进展为磁场探测带来新机遇

“量子传感器使我们能够探测各种物理量的纳米级变化。在磁力测定领域，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，从而催生了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·吉拉尔多尼博士说。“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，仅在钻石氮空位（NV）中心缺陷体系下才能实现常温环境中的纳米级量子磁力测定。尽管这项技术功能强大，但其传感器的基本光物理特性存在局限。特别是氮空位中心属于单轴传感器，在磁场检测方面动态范围有限。相比之下，剑桥团队研发的hBN传感器则突破这些限制，呈现出具备大动态范围的多轴磁场传感器。

该团队的研究不仅展示了这种新型传感器的性能，还对其优越传感特性的物理起源提供了机理层面的解释。重要的是，团队揭示了低对称性及特殊的激发态光学速率是其实现大动态范围和矢量传感能力的成因。

hBN是与石墨烯类似的二维材料，可剥离至仅数个原子层厚度。其晶格中的原子级缺陷以对局域磁场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。

本研究中，团队采用光探测磁共振（ODMR）技术，系统研究了hBN缺陷荧光对磁场变化的响应。通过精密追踪自旋响应，并结合光子发射动力学的详细分析，团队成功揭示了该系统的底层光学速率及其与缺陷对称性的关联，进而阐明了这种协同效应如何催生出稳健且功能多样的磁场传感器。

“ODMR并非新技术——但我们的研究表明，基于hBN平台构建的探头将使该技术能应用于各种新场景。这令人兴奋，因为它为我们开启了前所未有的磁现象和纳米材料成像之门，”论文共同第一作者西蒙娜·埃萨吉尔·巴克博士表示。

“这种传感器可能为研究新材料体系中的磁现象，或以更高空间分辨率进行磁学研究开辟新途径，”与梅特·阿塔图尔教授共同领导该项研究的汉娜·斯特恩教授说。“主体材料的二维特性还为该传感器带来了激动人心的新应用前景。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。采用原子级厚度的材料后，我们有望实现原子尺度的磁场空间测绘。”