極端條件下穩定工作的量子傳感器問世

科技日報記者 張佳欣

據最新一期《自然·通訊》雜誌報道，美國華盛頓大學領導的研究團隊研製出一種量子傳感器，能夠在超過大氣壓3萬倍的極端條件下穩定工作，並實現對材料應力和磁性的高靈敏測量。這是首個在如此高壓環境中成功運行的量子傳感器，為探索物質在極端狀態下的量子效應開闢了新途徑。

此次團隊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。由於量子級相互作用，電子的自旋能量會根據磁性、應力、温度以及附近材料的其他特性而改變。通過追蹤每個電子的自旋，他們能在量子層面深入洞察被研究的材料。

此前，團隊曾經基於鑽石缺陷開發出量子傳感器。但因為鑽石是三維結構，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於100納米，大約是一根頭髮絲寬度的千分之一。這種傳感器本質上是嵌在二維材料裏的，傳感器與被測材料之間的距離不到1納米，極大提升了信號分辨率。

在裝置設計上，鑽石依然不可或缺。團隊製作了“鑽石砧”。它由兩塊平坦的鑽石表面組成，每塊寬約400微米，大致相當於4顆塵埃顆粒的寬度。這兩個表面在高壓腔中擠壓在一起，高壓腔能產生超過3萬倍大氣壓的極端環境。

測試結果顯示，這種新型傳感器能夠探測到二維磁體磁場的微小變化，證明其在高壓條件下仍能保持穩定和高靈敏度。

此外，新型傳感器還為超導研究提供了新的契機。目前已知，超導體通常需要極端低温和高壓才能維持。近年來關於室温超導的報道爭議不斷，團隊認為，藉助這一傳感器，可以在高壓條件下收集更為準確的量子探測數據，從而為相關研究提供可靠依據。