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中国半导体十大研究进展候选推荐(2023-004)——基于碳化硅中硅空位色心的高压原位磁探测

1、工作简介

——基于碳化硅中硅空位色心的高压原位磁探测

中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、许金时、王俊峰等人与中科院合肥物质科学研究院固体所高压团队刘晓迪研究员等合作，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磁探测，该技术在高压量子精密测量领域具有重要意义。研究成果以“Magnetic detection under high pressures using designed silicon vacancy centres in silicon carbide”发表在国际著名期刊《自然-材料》[Nature Materials (2023) https://doi.org/10.1038/s41563-023-01477-5]。

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。特别是压力下高临界温度超导体的实现，引起了学术界的极大关注。然而一直以来，原位高分辨率的磁测量是高压科学研究的难题，并制约着高压超导抗磁行为和磁性相变行为的研究。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NV色心的光探测磁共振技术已被用于原位压力诱导磁性相变检测。然而，由于NV色心具有四个轴向，并且其电子自旋的零场分裂是温度依赖的，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，研究组加工了碳化硅对顶砧(又称为莫桑石对顶砧)，然后在碳化硅台面上利用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，由于电子结构的特殊对称性，该色心电子自旋的零场分裂是温度不敏感的，能够很好地避免金刚石NV色心在高压传感应用中的问题。研究组首先刻画了硅空位色心在高压下的光学和自旋性质，发现其光谱会蓝移，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。在此基础上，研究组基于硅空位色心光探测磁共振技术观测到了钕铁硼磁体在7 GPa左右的压致磁相变，并测量得到钇钡铜氧超导体的临界温度-压力相图。实验装置和实验结果如图1所示。该实验发展了基于固态色心自旋的高压原位磁探测技术。碳化硅材料加工工艺成熟，可大尺寸制备并且相对金刚石有很大的价格优势，该工作为磁性材料和新型超导体高压性质的刻画提供了一个优异的量子研究平台。

2、作者简介

通讯作者

李传锋，中国科学技术大学物理学院教授，博士生导师。 主要从事量子光学与量子信息的实验研究，目前致力于搭建富有特色的量子纠缠网络并利用所发展的量子信息技术探索量子物理。已发表SCI论文360余篇，其中以第一或通讯作者发表Nature(封面故事)1篇，Nature子刊20篇，Science子刊4篇，Physical Review Letters 48篇。论文被SCI他引7200余次，H影响因子46。 代表性成果包括：一)研制高性能固态量子存储器。存储器的存储保真度和维度数均创造世界最高水平;首次实现多模式量子中继，成果以封面故事文章的形式发表在Nature上;实现1小时的相干光存储，大幅度刷新了2013年德国团队光存储1分钟的世界纪录。研究成果“稀土离子实现多模式量子中继及1小时光存储”入选“两院院士评选2021年中国十大科技进展新闻”。研究成果“基于稀土离子的固态量子存储”入选2021年度“中国高等学校十大科技进展”;二)利用量子信息技术研究量子物理基本问题。首次观测到光的波粒叠加状态，成果以封面故事文章的形式发表在Nature Photonics上，同期Nature Photonics专文评价 “挑战互补原理设定的传统界限”，NaturePhysics专文评价“重新定义了波粒二象性的概念”;首次实验实现量子麦克斯韦妖并演示算法冷却过程;首次实验验证纠缠辅助的熵的不确定关系。研究成果“基于量子信息技术研究量子物理基本问题” 获国家自然科学奖二等奖。 国家杰出青年科学基金获得者(2013)，教育部长江学者特聘教授(2014)，中组部万人计划科技创新领军人才(2016)，国家重点研发计划项目负责人(2017)，基金委创新研究群体负责人(2019)。获得2012年度王大珩光学奖，2013年度中国青年科技奖，2013年度中科大海外校友基金会青年科学家杰出成就奖，2013、2021年度中科大杰出研究校长奖，2014年度教育部自然科学奖一等奖，获得2020年度国家自然科学奖二等奖(排序1)，2020年度中国物理学会饶毓泰物理奖。2020年入选中国光学学会会士。目前为中国物理学会量子光学专业委员会主任，中国光学学会光量子科学与技术专业委员会副主任，《科学通报》等刊物编委。

通讯作者

刘晓迪，中科院合肥物质科学研究院固体所研究员。 主要从事极端条件下凝聚态物理实验研究：超高压下氢体系的相图和结构物性研究、高压下色心自旋的性质研究以及基于色心自旋的高压磁探测研究。已发表中科院二区以上论文19篇，其中以第一作者/通讯作者发表的代表性论文有: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 (评论)1篇、Nano Letters 1篇等。入选中科院青促会会员，获得2019年获得中科院创新基金B类人才项目，共主持国家级及省部级基金10项。

主要从事基于碳化硅色心等固态体系的量子信息和量子物理实验研究，在碳化硅单色心制备和观测，量子调控和量子精密测量等方向做了一系列工作。申请人至今已发表SCI论文37篇，论文总引用950余次, H因子18。其中第一作者或通讯作者论文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。主持国家自然科学基金面上项目和青年基金各一项。入选了四川大学双百人才计划，四川省海外高层次留学人才，2022年度四川大学优秀人才。

3、原文传递

详情请点击论文链接：

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