美國(guó)華盛頓大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)研制出一種量子傳感器，能夠在超過大氣壓3萬倍的極端條件下穩(wěn)定工作，并實(shí)現(xiàn)對(duì)材料應(yīng)力和磁性的高靈敏測(cè)量。這是首個(gè)在如此高壓環(huán)境中成功運(yùn)行的量子傳感器，為探索物質(zhì)在極端狀態(tài)下的量子效應(yīng)開辟了新途徑。

此次團(tuán)隊(duì)利用中子輻射束從氮化硼薄片中擊出硼原子，在晶格中留下空位。這些空位可以立刻捕獲電子。由于量子級(jí)相互作用，電子的自旋能量會(huì)根據(jù)磁性、應(yīng)力、溫度以及附近材料的其他特性而改變。通過追蹤每個(gè)電子的自旋，他們能在量子層面深入洞察被研究的材料。

此前，團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)基于鉆石缺陷開發(fā)出量子傳感器。但因?yàn)殂@石是三維結(jié)構(gòu)，很難讓傳感器緊貼待研究的材料。相比之下，氮化硼薄片的厚度可以小于100納米，大約是一根頭發(fā)絲寬度的千分之一。這種傳感器本質(zhì)上是嵌在二維材料里的，傳感器與被測(cè)材料之間的距離不到1納米，極大提升了信號(hào)分辨率。

在裝置設(shè)計(jì)上，鉆石依然不可或缺。團(tuán)隊(duì)制作了“鉆石砧”。它由兩塊平坦的鉆石表面組成，每塊寬約400微米，大致相當(dāng)于4顆塵埃顆粒的寬度。這兩個(gè)表面在高壓腔中擠壓在一起，高壓腔能產(chǎn)生超過3萬倍大氣壓的極端環(huán)境。

測(cè)試結(jié)果顯示，這種新型傳感器能夠探測(cè)到二維磁體磁場(chǎng)的微小變化，證明其在高壓條件下仍能保持穩(wěn)定和高靈敏度。

此外，新型傳感器還為超導(dǎo)研究提供了新的契機(jī)。目前已知，超導(dǎo)體通常需要極端低溫和高壓才能維持。近年來關(guān)于室溫超導(dǎo)的報(bào)道爭(zhēng)議不斷，團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，借助這一傳感器，可以在高壓條件下收集更為準(zhǔn)確的量子探測(cè)數(shù)據(jù)，從而為相關(guān)研究提供可靠依據(jù)。

審核編輯 黃宇