新型二维量子传感器突破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，量子传感器实现了对材料中电流和磁化强度等特性的纳米级可视化，从而催生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）将这一能力提升到新高度——这种材料不仅兼容纳米级应用，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，要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。尽管这项技术功能强大，但受其基本光物理特性限制，此类传感器存在固有缺陷。特别是NV中心属于单轴传感器，其磁场检测动态范围有限。相比之下，剑桥团队开发的hBN传感器突破了这些限制，实现了具有大动态范围的多轴磁场传感。

该团队的研究不仅展示了这种新型传感器的性能，还揭示了其优越传感特性的物理机制。重要的是，团队发现低对称性和特定的激发态光学速率共同造就了其动态范围与矢量探测能力。

hBN是一种类似石墨烯的二维材料，可剥离至仅几个原子层厚度。其晶格中的原子级缺陷能以对局部磁场敏感的方式吸收和发射可见光，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，系统探究了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，阐明了这种协同效应如何形成强大且多功能的磁场传感器。

论文共同第一作者西蒙娜·艾萨吉雷·巴克博士指出："ODMR并非新技术——但我们证明了基于hBN平台构建的探针能使该技术应用于各种新场景。这令人兴奋，因为它开辟了前所未有的磁现象和纳米材料成像途径。"

与梅特·阿塔图尔教授共同领导该研究的汉娜·斯特恩教授补充道："这种传感器可能为研究新材料体系的磁现象提供新途径，或实现前所未有的空间分辨率。主体材料的二维特性还为传感器应用带来激动人心的新可能：该技术的空间分辨率由样品与传感器的距离决定，利用原子级薄材料，我们有望实现原子尺度的磁场空间测绘。"