固体所在高压环境下碳化硅双空位色心自旋量子态的相干调控和高压磁探测研究方面取得新进展

近期，中科院合肥研究院固体所计算物理与量子材料研究部刘晓迪团队联合中国科学技术大学李传锋、许金时教授团队和四川大学王俊峰研究员，首次实现了高压环境下碳化硅双空位色心自旋量子态的相干调控和高压磁探测。相关结果以“Coherent Control and Magnetic Detection of Divacancy Spins in Silicon Carbide at High Pressures”为题发表在Nano Letters (Nano Lett., 22，9943(2022))上。      在高压条件下物质会表现出很多新奇的性质，高压可以诱导绝缘体-金属（乃至超导体）转变，例如，高压下氢分子转变为金属氢（理论预言其为高温超导体）；高压下镧氢体系实现260 K以上的近室温超导。然而，原位磁测量一直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。基于金刚石对顶砧的高压研究中，通常样品尺寸很小仅为微米级且不均匀，这会导致高压下的磁信号弱，探测分辨率需要在微米量级。因此，发展一种新型的高压原位磁性精密探测的手段十分必要。

研究团队利用碳化硅双空位缺陷的自旋量子传感技术，结合金刚石对顶砧（DAC）和光探测磁共振（ODMR）技术实现了高压环境下碳化硅双空位色心自旋量子态的相干调控和基于碳化硅双空位色心自旋的压强和磁场探测。碳化硅双空位缺陷自旋对外部的压强、磁场具有高灵敏响应，这些响应可以通过高灵敏度的ODMR谱反馈出来，由此表征高压下样品的压强和磁性状态。

研究人员对碳化硅双空位缺陷在高压下的光谱及自旋性质进行了系统的研究，实现了高压环境下碳化硅双空位的自旋量子态相干调控，并基于此在高压下对磁性材料钕铁硼Nd2Fe14B的铁磁-顺磁相变进行了探测。研究表明碳化硅双空位的荧光光谱随压力发生蓝移，ODMR谱共振峰随压力向高频方向线性移动。其中双空位PL5缺陷的零场分裂D值随压力变化的斜率最高可达25.1MHz/GPa，高压传感灵敏度为0.28MPa/Hz-1/2。通过读取邻近Nd2Fe14B样品双空位缺陷的ODMR谱，获取两个共振峰的位置，由此获得探测磁场的大小，实现对压致磁相变的探测。该研究为高压传感和原位精密磁探测提供了一个新的方法。

合肥研究院刘晓迪副研究员、中国科学技术大学李传锋教授、许金时教授为论文共同通讯作者。博士生刘琳和王俊峰研究员为论文的共同第一作者。上述工作得到了国家自然科学基金、科技部、中国科学院青年创新促进会、合肥研究院、中国科学技术大学和四川大学等项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03378

图1. 利用金刚石对顶砧产生高压环境，并进行碳化硅双空位缺陷高压下的光学和自旋性质的研究。

图2. 不同压力下双空位PL6缺陷的光探测磁共振峰，且利用该缺陷对钕铁硼Nd2Fe14B材料的压致磁相变进行探测。