黄金薄膜可增强二维材料量子传感

2021-09-06 09:13来源: 中国科学报

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  金膜上二维材料中的自旋量子位。当将六方氮化硼的自旋缺陷放置在金膜微波带状线上时,其光学检测的磁共振和同时等离子体增强光子发射,显示出创纪录的高对比度。图片来源:李彤仓(音译)

  通过将量子力学应用于设计和工程,量子传感正在被用来超越现代传感过程。这将有助于在研究磁性材料或生物样本等过程中突破目前的极限。简言之,量子是传感技术的下一个前沿。

  2019年,科学家在二维材料(六方氮化硼)中发现了被称为量子位的自旋缺陷,这可以放大超薄量子传感的场。不过,科学家也遇到了一些障碍,如其灵敏度受限于低亮度和磁共振信号低对比度,解决这些挑战引发了一场科学竞赛。

  今年8月9日,《自然—物理学》发表了一篇题为《量子传感器走平》的文章,强调了这种新的、令人兴奋的、通过量子位元在二维材料中传感的方法的好处,并概述了目前的不足。

  针对相关挑战,美国普渡大学的一组研究人员克服了量子位信号的缺点,开发了二维材料的超薄量子传感器。在9月2日发表于《纳米快报》的一项研究中,他们通过实验解决了一些关键问题,取得了更好的结果。

  他们的做法究竟有何不同?论文通讯作者、该校物理学与天文学、电子与计算机工程副教授李彤仓解释说,黄金薄膜在这一突破中发挥了关键作用。

  “我们使用了一层金色薄膜,将自旋量子位元的亮度提高了17倍。”他说,“金膜支持表面等离子体,可以加速光子发射,这样我们就可以收集更多的光子,从而获得更多的信号。此外,我们通过优化微波波导的设计,将其磁共振信号的对比度提高了10倍。因此,大大提高了这些自旋缺陷检测磁场、局部温度和局部压力的灵敏度。”

  李彤仓(音译)和团队用二维材料开发了超薄量子传感器。图片来源:普渡大学

  “普渡大学的合作氛围对我们迅速得出这些结果至关重要。”李彤仓介绍,这项是该校多个院系之间合作的结果。

  在这个实验中,研究小组将绿色激光和微波应用到二维材料中的自旋量子位元上。在绿色激光的照射下,这种材料会发出不同颜色的光子(红外和近红外)。光子发射的速率取决于磁场、温度和压力。这些自旋量子位的亮度会随着磁场、温度或压力的变化而变化。因此,他们能够以高灵敏度精确测量磁场。

  未来,该小组计划使用这些自旋量子位元来研究新型材料。他们还希望进一步改善信号,使二维材料中的单个自旋量子位能够以前所未有的灵敏度和分辨率用于量子传感。(冯维维)

  相关论文信息:

  https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02495

[责任编辑: 赵清建 ]
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