钻石传感器在高压下探测物质

基于金刚石中氮空位（NV）颜色中心的量子传感器可用于探测极端压力下材料的磁性和结构特性。这是三个独立的研究小组在上周报告其科学工作的发现。过去，高压实验提供了重要的见解，可了解材料在地幔中破碎力作用下的行为，从而提高了我们对地震的理解。 科学家还使用高压技术来探索压力感应的磁性，并研究具有卓越物理特性（例如极高硬度）的新材料。最近，研究人员甚至在压缩到106个以上大气压的氢化物材料中发现了接近室温的超导性。

NV钻石传感器

砧细胞

在如此高压力下研究材料主要方法是使用由金刚石或矿物如莫桑石制成毫米大小的砧室。通过在两个非常硬的材料扁平尖端之间挤压样品来进行工作。尖端的小尺寸使得仅需很小的作用力就可以达到超过400 GPa的压力或4 x 106个大气压。此类测量的主要问题在于，通常只有很小的，只有几十微米的样品需要容纳在笨重的压力容器中。这种设置极大地限制了可以执行的测量类型。例如，很难进行灵敏的磁化测量，因为砧室的磁性比样品本身的磁性大数千倍。

NV色心作为探针

三个研究小组现在通过使用金刚石的缺陷（称为NV色心）作为磁场探针来克服了这个问题。当金刚石中两个相邻碳原子被一个氮原子和一个空的晶格位取代时，就会出现这些中心，它们就像具有不同自旋的微小量子磁体。当被激光脉冲激发时，中心发出的荧光信号可用于监测附近样品中的弱局部磁变化。这是因为发射的NV中心信号的强度随局部磁场而变化。

钻石成为强大的科学工具。该图像显示了用于产生高压以及感应超导体中磁场分布的金刚石砧。

由香港中文大学的杨森和Swee K Goh领导的三支团队之一将含有NVs的金刚石颗粒分散到样品上（一种化学式为BaFe2（As0.59P0.41）2的铁肽超导体）然后将其放入莫桑石砧盒中。由于该材料的自旋依赖性荧光速率以及透明的事实，研究人员能够光学测量NV中心的电子自旋共振（ESR）光谱。然后，他们使用这种光谱测量来确定样品的磁场，其灵敏度接近微特斯拉。香港团队还确定了样品的超导转变温度（Tc）。在高于Tc的温度下，NV中心感受到的磁场与所施加的磁场相同。但是，当超导材料的样品冷却到Tc以下时，它开始排斥施加的磁场-这种现象被称为迈斯纳效应。这种超导电性从样品中驱除的磁场会改变材料表面附近的磁场分布，从而产生被样品表面NV中心“感觉”到的效应。研究人员通过仔细分析场分布得出Tc，使用NV中心在高空间分辨率下感应磁场的大小和方向。

将NV嵌入钻石砧室中

另外两支队伍则由美国加州大学伯克利分校的Norman Yao和法国巴黎高等师范学院的Jean-FrançoisRoch领导，采用的方法略有不同。这些研究人员将含有NV的钻石颗粒直接嵌入到同样由钻石制成的砧座中。姚及其同事在其铁和样品所处的压力腔表面下方几纳米处制备了一层薄薄的缺陷层（50 nm）。研究人员随后用绿色激光照射了缺陷。通过测量产生的荧光，他们以与Yang和Goh的团队相同的方式监测了样品中的弱局部磁变化。接下来，他们重建了NV响应的图像，以产生从样品发出的磁场空间分辨图。他们使用此信息来确定样品的磁偶极矩。当他们在不同的压力和温度下重复实验时，他们发现偶极矩突然改变，这与样品中的磁性相变相对应。

新型传感协议

伯克利小组研究的主要作者谢特谢（Satcher Hsieh）说，他们的技术是新技术，因为它不是测量静态的磁性特征，而是依靠测量样品产生的磁性“噪声”。之所以会产生这种噪声，是因为金属中的电子可以自由移动，并且它们的运动会产生波动的磁场，传感器可以识别该磁场。取决于磁相是有序的还是无序的，电子可能以不同的幅度从自旋中散射，这会改变波动场的幅度。 “在我们的工作中，我们测量了一个常见的磁跃迁（顺磁到铁磁），但是从长远来看，我们希望使用这种技术来识别更多的奇异磁相，”谢先生说。伯克利小组的方法也是第一个在高压下测量应力张量的所有六个分量的方法。因此，谢说，这可能有助于我们进一步了解由切应力驱动的高压相变，这对于在行星深处发现的矿物来说通常是这种情况。

原位量子传感器

同时，ENS Paris-Saclay的Roch及其同事使用类似的技术来成像，说明在施加高达30 GPa的压力时铁珠的磁化如何演变。在他们的工作中，他们对铁丸的磁场分布进行了成像，该丸在（铁磁）α晶体结构和（非铁磁）ε晶体结构之间经历了磁性相变，发生在15 GPa左右。他们还通过检测迈斯纳效应对硼化镁（MgB2）样品越过超导过渡态（在7 GPa下）成像。

ENS小组成员Margarita Lesik和Thomas Plisson改进了便携式NV显微镜。

罗奇（Roch）解释说，将NV中心整合到金刚石砧座本身就意味着该团队的量子传感器直接与被测样品接触。尽管样品的尺寸很小，这种方法仍使研究人员能够探测材料的磁性和应变。他说，这还将使他们能够以前所未有的精度和分辨率来测量诸如压力感应的高自旋低自旋磁序和新型超导体（如氢化物材料H3S和LaH10）的超导性等现象。

高度相关的电子系统

香港研究小组的成员说，他们现在正在使用他们的技术研究高压下各种强相关的电子系统。例如，他们正在研究超导系统的行为，同时使用压力来调整电子-电子相关的强度。伯克利和ENS Paris-Saclay小组表示，他们希望研究高压氢化物等材料，这些材料在低于室温10度的温度下会超导。 Hsieh说：“我们的小组现在也正在测量火星地壳中存在的磁性矿物的相变，以更好地了解火星的磁性。”该小组还在研究最近在高压下合成的新型铁-铋化合物的磁性。

迈向更高的压力和更大的样品量

罗奇（Roch）和他的同事指出，研究在更高压力下通过光学手段检测超导现象的方法将很有趣。将工作扩展到大于100 GPa的压力将是一个挑战，因为NV中心的旋转读数对比度在60 GPa以上的压力下会大大降低。他们认为，可以通过在金刚石层（等离子辅助）生长过程中通过受控的氮掺杂或通过激光写入NV来对NV进行工程化来解决此问题。这些制造工艺可以将NV中心薄板埋在砧座中的应变可能较小的深度。研究小组也在追求更高的压力，但方法有所不同。 Hseih解释说：“我们正在尝试使用不同的彩色激光来激发NV中心，我们认为该激光可以提供足够的能量以将其使用范围扩展到100 GPa甚至更高。

钻石量子传感器打破新纪录

这三个小组同意，他们的不同技术是互补的，它们提供了在极端压力下探测物质的强大新方法。此类技术可以扩展到NV中心以外的原子金刚石缺陷（例如硅空位中心），或者甚至是金刚石以外的材料缺陷。一些示例包括存在于辉石（6H碳化硅）中的光学活性缺陷，该缺陷可以按厘米或更大的比例制造，这与直径仅几毫米的金刚石砧不同。因此，此类缺陷可用于研究更大的样本量。

根据Roch的说法，NV探针将来可能还会耦合到X射线束线，例如同步加速器设施中的X射线束线。这样就可以以更小的空间分辨率对样本进行成像，例如对于第四代同步加速器而言，远低于100 nm。所获得的X射线衍射图可以明确地识别出在砧座中被探测的材料。他说，将高空间分辨率与来自NV“磁显微镜”的磁图像相结合，可能会导致高压材料特性的新发现。“这三组结果清楚地表明，这仅仅是NV探针和高压物理研究的开始，”他告诉《物理世界》。 “这是一个非常令人兴奋的时刻。”