固体所在基于碳化硅硅空位色心的高压原位磁探测研究方面取得突破

中科院合肥物质院固体所计算物理与量子材料研究部高压团队刘晓迪研究员等和中国科学技术大学李传锋教授、许金时教授、王俊峰研究员（现四川大学）等合作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量子磁探测，该技术在高压超导及磁性材料领域具有重要意义。相关研究结果以“Magnetic detection under high pressures using designed silicon vacancy centres in silicon carbide”为题发表在Nature Materials (Nat. Mater., 2023, DOI: 10.1038/s41563-023-01477-5 )上。

目前高压技术已经广泛应用于许多领域，包括物理学、材料科学、地球物理和化学等。近年来高压下氢化物体系实现了近室温超导，引起了极大的关注。然而，原位高分辨磁测量一直是高压科学研究的难题并制约着高压超导迈斯纳效应和磁性相变行为研究的进展。传统的高压磁测量手段，如超导量子干涉仪，难以实现金刚石对顶砧中较高压力下的微米级样品的弱磁信号的高分辨率原位探测。为了解决这一关键核心难题，金刚石氮-空位色心（NV色心）的光探测磁共振技术已被证实可用于原位高压磁探测研究。但是，由于NV色心具有四个轴向，并且其电子自旋的零场分裂对温度依赖，不利于分析和解释测量得到的光探测磁共振谱。

针对高压磁探测的难题，研究团队对碳化硅色心自旋体系进行研究，发现碳化硅色心可以用于高压磁探测研究(Nano Lett., 22, 9943(2022))。在此基础上，研究团队进一步加工了碳化硅对顶砧（替代常用的金刚石对顶砧），在碳化硅砧面上通过离子注入产生浅层硅空位色心，并利用浅层色心实现高压下的原位磁性探测。碳化硅中的硅空位色心只有单个轴向，由于其电子结构的特殊对称性，该色心电子自旋的零场分裂对温度不敏感，能够很好地避免金刚石NV色心在高压传感应用中的温变问题。

研究团队研究了硅空位色心在高压下的光学和自旋性质，发现其光谱会发生蓝移，而且其自旋零场分裂值随压力变化很小（0.31 MHz/GPa），远小于金刚石NV色心的变化斜率14.6 MHz/GPa，这将有利于测量和分析高压下的光探测磁共振谱。基于此，研究组通过硅空位色心光探测磁共振技术观测到了钕铁硼（Nd2Fe14B）磁体在7 GPa左右的压致磁相变，并测量得到钇钡铜氧（YBa2Cu3O6.6）超导体的临界温度-压力相图。

该实验发展了基于固态色心自旋的高压原位磁探测技术。相对于金刚石，碳化硅材料加工工艺成熟，可大尺寸生长和制备，价格便宜，其制备的压砧在低压区可以提供更大的样品体积。在这些碳化硅压砧中集成磁传感器为高压超导磁探测以及磁性材料相变研究提供了一个优异的研究平台。

该工作得到审稿人的高度评价：“我发现这项工作非常有趣，通过展示碳化硅中室温自旋缺陷作为原位高压传感器的使用，我认为这项工作可以为使用碳化硅对顶砧的量子材料的新研究打开大门。”      上述工作得到了国家自然科学基金、科技部、中科院青促会、中科院创新基金、合肥物质院院长基金、中国科学技术大学、四川大学和安徽省等项目的支持。

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

相关论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c03378

图. (a)碳化硅对顶砧和浅层硅空位色心探测磁性样品示意图；(b)硅空位色心零场劈裂随压力的变化关系；(c)钕铁硼材料的磁性相变探测；(d)钇钡铜氧超导材料的Tc-P相图；(e)基于碳化硅对顶砧的硅空位色心实现高压原位磁探测的渲染图。