【ZiDongHua創(chuàng)新自科文收錄關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè) 碳化硅 材料科學(xué)與工程 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 中科院】

中國半導(dǎo)體十大研究進展候選推薦(2023-004)——基于碳化硅中硅空位色心的高壓原位磁探測

1、工作簡介

——基于碳化硅中硅空位色心的高壓原位磁探測

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊李傳鋒、許金時、王俊峰等人與中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體所高壓團隊劉曉迪研究員等合作，在國際上首次實現(xiàn)了基于碳化硅中硅空位色心的高壓原位磁探測，該技術(shù)在高壓量子精密測量領(lǐng)域具有重要意義。研究成果以“Magnetic detection under high pressures using designed silicon vacancy centres in silicon carbide”發(fā)表在國際著名期刊《自然-材料》[Nature Materials (2023) https://doi.org/10.1038/s41563-023-01477-5]。

高壓技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括物理學(xué)、材料科學(xué)、地球物理和化學(xué)。特別是壓力下高臨界溫度超導(dǎo)體的實現(xiàn)，引起了學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。然而一直以來，原位高分辨率的磁測量是高壓科學(xué)研究的難題，并制約著高壓超導(dǎo)抗磁行為和磁性相變行為的研究。傳統(tǒng)的高壓磁測量手段，如超導(dǎo)量子干涉儀難以實現(xiàn)金剛石對頂砧中微米級樣品的弱磁信號的高分辨率原位探測。為了解決這一關(guān)鍵核心難題，金剛石NV色心的光探測磁共振技術(shù)已被用于原位壓力誘導(dǎo)磁性相變檢測。然而，由于NV色心具有四個軸向，并且其電子自旋的零場分裂是溫度依賴的，不利于分析和解釋測量得到的光探測磁共振譜。

針對高壓磁探測的難題，研究組加工了碳化硅對頂砧(又稱為莫桑石對頂砧)，然后在碳化硅臺面上利用離子注入產(chǎn)生淺層硅空位色心，并利用淺層色心實現(xiàn)高壓下的原位磁性探測。碳化硅中的硅空位色心只有單個軸向，由于電子結(jié)構(gòu)的特殊對稱性，該色心電子自旋的零場分裂是溫度不敏感的，能夠很好地避免金剛石NV色心在高壓傳感應(yīng)用中的問題。研究組首先刻畫了硅空位色心在高壓下的光學(xué)和自旋性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其光譜會藍(lán)移，而且其自旋零場分裂值隨壓力變化很小(0.31 MHz/GPa)，遠(yuǎn)小于金剛石NV色心的變化斜率14.6 MHz/GPa。這將有利于測量和分析高壓下的光探測磁共振譜。在此基礎(chǔ)上，研究組基于硅空位色心光探測磁共振技術(shù)觀測到了釹鐵硼磁體在7 GPa左右的壓致磁相變，并測量得到釔鋇銅氧超導(dǎo)體的臨界溫度-壓力相圖。實驗裝置和實驗結(jié)果如圖1所示。該實驗發(fā)展了基于固態(tài)色心自旋的高壓原位磁探測技術(shù)。碳化硅材料加工工藝成熟，可大尺寸制備并且相對金剛石有很大的價格優(yōu)勢，該工作為磁性材料和新型超導(dǎo)體高壓性質(zhì)的刻畫提供了一個優(yōu)異的量子研究平臺。

2、作者簡介

通訊作者

李傳鋒，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。 主要從事量子光學(xué)與量子信息的實驗研究，目前致力于搭建富有特色的量子糾纏網(wǎng)絡(luò)并利用所發(fā)展的量子信息技術(shù)探索量子物理。已發(fā)表SCI論文360余篇，其中以第一或通訊作者發(fā)表Nature(封面故事)1篇，Nature子刊20篇，Science子刊4篇，Physical Review Letters 48篇。論文被SCI他引7200余次，H影響因子46。 代表性成果包括：一)研制高性能固態(tài)量子存儲器。存儲器的存儲保真度和維度數(shù)均創(chuàng)造世界最高水平;首次實現(xiàn)多模式量子中繼，成果以封面故事文章的形式發(fā)表在Nature上;實現(xiàn)1小時的相干光存儲，大幅度刷新了2013年德國團隊光存儲1分鐘的世界紀(jì)錄。研究成果“稀土離子實現(xiàn)多模式量子中繼及1小時光存儲”入選“兩院院士評選2021年中國十大科技進展新聞”。研究成果“基于稀土離子的固態(tài)量子存儲”入選2021年度“中國高等學(xué)校十大科技進展”;二)利用量子信息技術(shù)研究量子物理基本問題。首次觀測到光的波粒疊加狀態(tài)，成果以封面故事文章的形式發(fā)表在Nature Photonics上，同期Nature Photonics專文評價 “挑戰(zhàn)互補原理設(shè)定的傳統(tǒng)界限”，NaturePhysics專文評價“重新定義了波粒二象性的概念”;首次實驗實現(xiàn)量子麥克斯韋妖并演示算法冷卻過程;首次實驗驗證糾纏輔助的熵的不確定關(guān)系。研究成果“基于量子信息技術(shù)研究量子物理基本問題” 獲國家自然科學(xué)獎二等獎。 國家杰出青年科學(xué)基金獲得者(2013)，教育部長江學(xué)者特聘教授(2014)，中組部萬人計劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才(2016)，國家重點研發(fā)計劃項目負(fù)責(zé)人(2017)，基金委創(chuàng)新研究群體負(fù)責(zé)人(2019)。獲得2012年度王大珩光學(xué)獎，2013年度中國青年科技獎，2013年度中科大海外校友基金會青年科學(xué)家杰出成就獎，2013、2021年度中科大杰出研究校長獎，2014年度教育部自然科學(xué)獎一等獎，獲得2020年度國家自然科學(xué)獎二等獎(排序1)，2020年度中國物理學(xué)會饒毓泰物理獎。2020年入選中國光學(xué)學(xué)會會士。目前為中國物理學(xué)會量子光學(xué)專業(yè)委員會主任，中國光學(xué)學(xué)會光量子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)委員會副主任，《科學(xué)通報》等刊物編委。

通訊作者

劉曉迪，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體所研究員。 主要從事極端條件下凝聚態(tài)物理實驗研究：超高壓下氫體系的相圖和結(jié)構(gòu)物性研究、高壓下色心自旋的性質(zhì)研究以及基于色心自旋的高壓磁探測研究。已發(fā)表中科院二區(qū)以上論文19篇，其中以第一作者/通訊作者發(fā)表的代表性論文有:Nature Materials 1篇，Physical Review Letters1篇、Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) 2篇、Science (評論)1篇、Nano Letters 1篇等。入選中科院青促會會員，獲得2019年獲得中科院創(chuàng)新基金B(yǎng)類人才項目，共主持國家級及省部級基金10項。

 

主要從事基于碳化硅色心等固態(tài)體系的量子信息和量子物理實驗研究，在碳化硅單色心制備和觀測，量子調(diào)控和量子精密測量等方向做了一系列工作。申請人至今已發(fā)表SCI論文37篇，論文總引用950余次, H因子18。其中第一作者或通訊作者論文20篇，包括Nature Materials 1篇、Nature Communications 2篇、Physical Review Letters 1篇、National Science Review 1篇、Nano Letters 1篇等。主持國家自然科學(xué)基金面上項目和青年基金各一項。入選了四川大學(xué)雙百人才計劃，四川省海外高層次留學(xué)人才，2022年度四川大學(xué)優(yōu)秀人才。

3、原文傳遞

詳情請點擊論文鏈接：

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