基于氮化硼的新型原子传感器的成功开发

近日，由德国维尔茨堡大学科学家领导的国际合作团队成功研制出一种新型原子传感器。它基于氮化硼二维晶格中人工产生的自旋缺陷(量子比特)，可以测量温度、压力、磁场等环境变化，无需任何电接触。相关结果发表在《自然通讯》杂志上。

氮化硼的六方晶相具有二维平面石墨烯状结构和原子薄度，与其他二维晶体结构高度兼容。近年来，氮化硼的结构和电子性质引起了许多研究者的兴趣。维尔茨堡大学弗拉基米尔迪亚科教授领导的国际团队首次成功地在氮化硼层状晶体中创造了自旋缺陷，并通过实验进行了鉴定；随后，在室温下成功实现了六方氮化硼中硼空位中心的相干控制，为具有全新特性的人工异质结构或构建在其上的电子器件铺平了道路。

现在，这个包括澳大利亚悉尼理工大学和加拿大特伦特大学科学家在内的国际团队取得了新的进展，成功研制出了基于氮化硼二维晶体自旋缺陷的新型原子传感器。传感器的核心是氮化硼晶格中人工产生角动量(自旋)的硼缺陷。缺陷对其原子环境非常敏感，例如与其他原子或原子层的距离。Diaco Novo解释说，这意味着它可以用来测量局部磁场、温度甚至压力。测量完全可以通过激光完成，传感器不需要任何电接触。

氮化硼自旋缺陷的一个新特征是它位于二维晶格中。这开辟了新的应用可能性。Diaco Novo说：“使用只有一个原子层的氮化硼层的想法特别有意思，这样传感器就直接位于待检测部件的表面，这将实现与环境的直接交互。”氮化硼目前是封装新2D元件的标准材料，例如纳米尺寸的晶体管。科学家可以手动将原子传感器嵌入常用的氮化硼材料中，这样传感器就可以直接测量温度、压力和磁场对各种部件的影响。

该论文的第一作者、德国维尔茨堡大学物理学博士Andreas Gottschauer解释说：“通过巧妙地打开和关闭不同频率的微波，可以操纵自旋缺陷，从而获得不同的外部影响，例如温度、压力和磁场。”到目前为止，研究人员已经展示了该传感器如何处理数百万个自旋缺陷的大集合。接下来，他们将研究单个自旋缺陷如何作为传感器工作。

与现有的金刚石或碳化硅制成的传感器相比，新的原子传感器不仅适用于温度和磁场的局部测量，而且对外部压力变化更加敏感。其可能的应用领域包括医学、导航、需要非接触测量电磁场的场所或信息技术中的成像。从长远来看，它还可以用作商业传感器，并可能彻底改变医学成像。