中国科大郭光灿院士团队《Nature Materials》：国际上首次实现！

压力诱导的磁相变作为检测金刚石压砧电池高压下超导行为的一种手段正在引起人们的兴趣，但由于样品室体积小，确定样品的局部磁性质是一个挑战。光学探测到的金刚石中氮空位中心磁共振最近被用于原位探测压力诱导的相变。然而，由于它们的四个方向轴和与温度相关的零场分裂，解释这些光学检测到的磁共振光谱仍然具有挑战性。

在此，来自中国科学技术大学郭光灿团队和英国爱丁堡大学等单位研究者，研究了4H-碳化硅中注入硅空位缺陷的光学和自旋特性，这些缺陷具有单轴和温度无关的零场分裂。在国际上首次实现了基于碳化硅中硅空位色心的高压原位磁探测，在高压量子精密测量领域具有重要意义。相关论文以题为“Magnetic detection under high pressures using designed silicon vacancy centres in silicon carbide”发表在Nature Materials上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01477-5

压力改变物质的电子、磁性和结构性能的能力是基础和应用科学研究中的重要特征。高压技术已应用于物理学、材料科学、地球物理学和化学等许多领域，揭示了许多在压力下观察到的异常和重要现象。特别是近年来压力诱导的高临界温度（Tc）超导的报道引起了严肃的关注和兴奋。例如，据推测，在约170 GPa附近，镧系氢化物的T_c可达约250 K，这引起了广泛关注。

高压研究中的一个重要挑战是测量磁性质及其演化。传统方法如使用超导量子干涉仪或交流磁化率无法直接检测金刚石压力电池中微米级样品的微弱磁信号。因此，探索新的磁性检测方法非常重要。通过使用金刚石中的氮空位（N_V）中心，实现了DAC室内原位磁性检测的高灵敏度和高分辨率。金刚石N_V中心是多才多艺的固态自旋量子传感器，已被用于检测各种物理参数，如磁场、电场、温度、应变、自旋、压力和电流等。N_V中心基态自旋态的零场分裂参数D显示出随着压力线性增加的趋势，斜率为14.6 MHz·GPa^-1，直至60 GPa。基于此，最近在高压下开发了一种基于N_V中心的原位磁性检测方法，利用光学检测磁共振（ODMR）技术。将带有N_V中心的微米级金刚石颗粒置于DAC室内，以测量超导体的T_c-压力相图，并检测磁体的压力诱导磁相变。表面上的浅植入N_V中心也用于探测Fe颗粒的磁化和超导体的迈斯纳效应，并构建culet表面的完整应力张量。

在极端条件下，碳化硅（SiC）中的缺陷也可用于测量磁性质。由于其独特的特性，如成熟的英寸级生长和微/纳米制造，SiC是广泛使用的半导体。SiC中的几个自旋量子比特和亮的单光子发射器也吸引了量子领域的广泛关注。特别是4H-SiC中带负电荷的硅空位（V_Si）缺陷在自旋-光子界面、量子光学、量子信息处理和磁场等性质的量子传感中已被广泛使用，这是由于其出色的性质（一个S = 3/2自旋四重态和基态D约为70 MHz）。它只有一个轴（沿着4H-SiC的c轴），对应的ODMR光谱在外部磁场下具有两个共振峰，这方便确定共振频率并增强SiC器件的可扩展性。此外，在环境压力下，其D值在20 K到500 K范围内几乎不受温度影响，这有利于温度-压力研究。然而，大多数先前对V_Si缺陷的研究都是在环境压力下进行的。在极端条件下研究V_Si缺陷的光学和自旋性质对于基于V_Si缺陷的量子传感至关重要。与传统的高压磁度计技术相比，V_Si缺陷检测的空间分辨率仅约为几微米。

在这里，研究者分析并表征了4H-SiC压力电池棱角处植入的硅空位缺陷的光学和自旋性质，它们表现出单轴和温度独立的零场分裂。实验结果表明，光致发光光谱随压力而蓝移，D值以0.31 MHz·GPa^-1的速率随压力增加。研究者探测了室温下约7 GPa附近Nd₂Fe₁₄B磁体的压力诱导磁相变。最后，研究者观察到不同压力下YBa₂Cu₃O_6.6超导体的迈斯纳效应，得到其T_c-压力（P）相图。这些实验展示了在SiC中使用V_Si缺陷作为量子传感器的可行性，并开辟了在极端条件下研究超导现象的可能性。（文：水生）

图1 SiC 砧原理图及压力变化下 V_Si缺陷的光学性质。

图2 高压下 V_Si 缺陷的自旋特性。

图3 利用浅 V_Si 缺陷探测 Nd₂Fe₁₄B 磁体的压力感生磁相变。

图4 利用 V_Si 注入缺陷测量 YBa₂Cu₃O_6.6超导体的温度-压力相图。