极端条件下稳定工作的量子传感器问世

科技日报记者 张佳欣

据最新一期《自然·通讯》杂志报道，美国华盛顿大学领导的研究团队研制出一种量子传感器，能够在超过大气压3万倍的极端条件下稳定工作，并实现对材料应力和磁性的高灵敏测量。这是首个在如此高压环境中成功运行的量子传感器，为探索物质在极端状态下的量子效应开辟了新途径。

此次团队利用中子辐射束从氮化硼薄片中击出硼原子，在晶格中留下空位。这些空位可以立刻捕获电子。由于量子级相互作用，电子的自旋能量会根据磁性、应力、温度以及附近材料的其他特性而改变。通过追踪每个电子的自旋，他们能在量子层面深入洞察被研究的材料。

此前，团队曾经基于钻石缺陷开发出量子传感器。但因为钻石是三维结构，很难让传感器紧贴待研究的材料。相比之下，氮化硼薄片的厚度可以小于100纳米，大约是一根头发丝宽度的千分之一。这种传感器本质上是嵌在二维材料里的，传感器与被测材料之间的距离不到1纳米，极大提升了信号分辨率。

在装置设计上，钻石依然不可或缺。团队制作了“钻石砧”。它由两块平坦的钻石表面组成，每块宽约400微米，大致相当于4颗尘埃颗粒的宽度。这两个表面在高压腔中挤压在一起，高压腔能产生超过3万倍大气压的极端环境。

测试结果显示，这种新型传感器能够探测到二维磁体磁场的微小变化，证明其在高压条件下仍能保持稳定和高灵敏度。

此外，新型传感器还为超导研究提供了新的契机。目前已知，超导体通常需要极端低温和高压才能维持。近年来关于室温超导的报道争议不断，团队认为，借助这一传感器，可以在高压条件下收集更为准确的量子探测数据，从而为相关研究提供可靠依据。