固體所在高壓環境下碳化矽雙空位色心自旋量子態的相幹調控和高壓磁探測研究方麵取得新進展

近期 ，中科院合肥研究院固體所計算物理與量子材料研究部劉曉迪團隊聯合中國科學技術大學李傳鋒 、許金時教授團隊和四川大學王俊峰研究員 ，首次實現了高壓環境下碳化矽雙空位色心自旋量子態的相幹調控和高壓磁探測。相關結果以“Coherent Control and Magnetic Detection of Divacancy Spins in Silicon Carbide at High Pressures”為題發表在Nano Letters (Nano Lett., 22 ，9943(2022))上 。      在高壓條件下物質會表現出很多新奇的性質 ，高壓可以誘導絕緣體-金屬（乃至超導體）轉變 ，例如 ，高壓下氫分子轉變為金屬氫（理論預言其為高溫超導體） ；高壓下鑭氫體係實現260 K以上的近室溫超導 。然而 ，原位磁測量一直是高壓科學研究的難題並製約著高壓超導抗磁行為和磁性相變行為的研究。基於金剛石對頂砧的高壓研究中 ，通常樣品尺寸很小僅為微米級且不均勻 ，這會導致高壓下的磁信號弱 ，探測分辨率需要在微米量級 。因此 ，發展一種新型的高壓原位磁性精密探測的手段十分必要 。

研究團隊利用碳化矽雙空位缺陷的自旋量子傳感技術 ，結合金剛石對頂砧（DAC）和光探測磁共振（ODMR）技術實現了高壓環境下碳化矽雙空位色心自旋量子態的相幹調控和基於碳化矽雙空位色心自旋的壓強和磁場探測。碳化矽雙空位缺陷自旋對外部的壓強 、磁場具有高靈敏響應 ，這些響應可以通過高靈敏度的ODMR譜反饋出來 ，由此表征高壓下樣品的壓強和磁性狀態 。

研究人員對碳化矽雙空位缺陷在高壓下的光譜及自旋性質進行了係統的研究 ，實現了高壓環境下碳化矽雙空位的自旋量子態相幹調控 ，並基於此在高壓下對磁性材料釹鐵硼Nd2Fe14B的鐵磁-順磁相變進行了探測 。研究表明碳化矽雙空位的熒光光譜隨壓力發生藍移 ，ODMR譜共振峰隨壓力向高頻方向線性移動 。其中雙空位PL5缺陷的零場分裂D值隨壓力變化的斜率最高可達25.1MHz/GPa ，高壓傳感靈敏度為0.28MPa/Hz-1/2 。通過讀取鄰近Nd2Fe14B樣品雙空位缺陷的ODMR譜 ，獲取兩個共振峰的位置 ，由此獲得探測磁場的大小 ，實現對壓致磁相變的探測 。該研究為高壓傳感和原位精密磁探測提供了一個新的方法 。

合肥研究院劉曉迪副研究員 、中國科學技術大學李傳鋒教授 、許金時教授為論文共同通訊作者 。博士生劉琳和王俊峰研究員為論文的共同第一作者 。上述工作得到了國家自然科學基金 、科技部 、中國科學院青年創新促進會 、合肥研究院 、中國科學技術大學和四川大學等項目的支持。

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圖1. 利用金剛石對頂砧產生高壓環境 ，並進行碳化矽雙空位缺陷高壓下的光學和自旋性質的研究 。

圖2. 不同壓力下雙空位PL6缺陷的光探測磁共振峰 ，且利用該缺陷對釹鐵硼Nd2Fe14B材料的壓致磁相變進行探測 。