近日，德國維爾茨堡大學(xué)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際合作團(tuán)隊成功研發(fā)一種新型原子傳感器。它基于氮化硼二維晶格中人工產(chǎn)生的自旋缺陷(量子位元)，可以在沒有任何電接觸的情況下，測量溫度、壓力和磁場等環(huán)境變化。相關(guān)成果發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

氮化硼六方晶相具有二維平面石墨烯狀結(jié)構(gòu)和原子級薄度，與其他二維晶體結(jié)構(gòu)高度兼容。近年來，氮化硼的結(jié)構(gòu)和電子性能引起了許多研究者的興趣。德國維爾茨堡大學(xué)的弗拉基米爾·迪亞科諾夫教授領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊先是成功地在氮化硼的層狀晶體中創(chuàng)造了自旋缺陷，并通過實(shí)驗(yàn)識別了它們;隨后又成功實(shí)現(xiàn)了室溫下六方氮化硼中硼空位中心集合體的相干控制，為具有全新特性的人造異質(zhì)結(jié)構(gòu)或在其上構(gòu)建電子設(shè)備鋪平了道路。

現(xiàn)在，這個包括澳大利亞悉尼科技大學(xué)和加拿大特倫特大學(xué)的科學(xué)家在內(nèi)的國際團(tuán)隊取得了新的進(jìn)展，成功研發(fā)基于氮化硼二維晶體自旋缺陷的新型原子傳感器。該傳感器的核心是氮化硼制成的晶格中人工產(chǎn)生的具有角動量(自旋)的硼缺陷。缺陷對其原子環(huán)境非常敏感，例如與其他原子或原子層的距離。迪亞科諾夫解釋說，這意味著可以用它來測量局部磁場、溫度甚至壓力。測量可以完全通過激光進(jìn)行，傳感器不需要任何電接觸。

氮化硼自旋缺陷的一個新特征是它位于二維晶格中。這開辟了全新的應(yīng)用可能性。迪亞科諾夫說：“使用只有一個原子層的氮化硼層的想法特別有趣，這樣傳感器就直接位于要檢查的組件的表面，這將實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的直接交互。”氮化硼目前是封裝新型2D組件(如納米尺寸晶體管)的標(biāo)準(zhǔn)材料。科學(xué)家可以在經(jīng)常使用的氮化硼材料中人工嵌入原子傳感器，使得傳感器可以直接測量各種組件上的溫度、壓力和磁場等影響。

論文第一作者，德國維爾茨堡大學(xué)的物理學(xué)博士生安德烈亞斯·戈特紹爾解釋說：“通過巧妙地打開和關(guān)閉不同頻率的微波，可以操縱自旋缺陷，從而可以得出不同的外部影響，如溫度、壓力和磁場。”目前為止，研究人員已經(jīng)展示了傳感器如何處理數(shù)百萬個自旋缺陷的大型集合。接下來，他們將研究單個自旋缺陷如何作為傳感器工作。

與現(xiàn)有的由金剛石或碳化硅制成的傳感器相比，新型原子傳感器不僅適用于溫度和磁場的局部測量，還可以更加靈敏地對外部壓力變化做出反應(yīng)。其可能的應(yīng)用領(lǐng)域包括醫(yī)學(xué)、導(dǎo)航，需要電磁場非接觸式測量的地方或信息技術(shù)中的成像。長遠(yuǎn)來看，它還可以用作商業(yè)傳感器，并可能會徹底改變醫(yī)學(xué)成像。