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日本東京大學(xué)科學(xué)家最近利用六方氮化硼二維層中的硼空位，首次完成了在納米級(jí)排列量子傳感器的精細(xì)任務(wù)，從而能夠檢測(cè)磁場(chǎng)中的極小變化，實(shí)現(xiàn)了高分辨率磁場(chǎng)成像。

氮化硼是一種含有氮和硼原子的薄晶體材料。氮化硼晶格中人工產(chǎn)生的自旋缺陷適合作為傳感器。

(a)六方氮化硼中的硼空位缺陷。空位充當(dāng)用于磁場(chǎng)測(cè)量的原子大小的量子傳感器，對(duì)磁場(chǎng)敏感，像一個(gè)納米“磁針”。(b)量子傳感器納米陣列的光致發(fā)光。通過分析響應(yīng)微波的光致發(fā)光強(qiáng)度的變化，研究人員可測(cè)量每個(gè)傳感器點(diǎn)的磁場(chǎng)。

圖片來源：東京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)

研究團(tuán)隊(duì)在制作出一層薄的六角形氮化硼薄膜后，將其附著在目標(biāo)金絲上，然后用高速氦離子束轟擊薄膜，這樣就彈出了硼原子，形成了100平方納米的硼空位。每個(gè)光點(diǎn)包含許多原子大小的空位，它們的行為就像微小的磁針。光斑距離越近，傳感器的空間分辨率就越好。

當(dāng)電流流經(jīng)導(dǎo)線時(shí)，研究人員測(cè)量每個(gè)點(diǎn)的磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)的測(cè)量值與模擬值非常接近，這證明了高分辨率量子傳感器的有效性。即使在室溫下，研究人員也可檢測(cè)到傳感器在磁場(chǎng)存在的情況下自旋狀態(tài)的變化，從而檢測(cè)到局部磁場(chǎng)和電流。

此外，氮化硼納米薄膜只通過范德華力附著在物體上，這意味著量子傳感器很容易附著在不同的材料上。

高分辨率量子傳感器在量子材料和電子設(shè)備研究中具有潛在用途。例如，傳感器可幫助開發(fā)使用納米磁性材料作為存儲(chǔ)元件的硬盤。

原子大小的量子傳感器有助于科學(xué)家對(duì)人腦進(jìn)行成像、精確定位、繪制地下環(huán)境圖、檢測(cè)構(gòu)造變化和火山噴發(fā)。此次的納米級(jí)量子傳感器也將成為半導(dǎo)體、磁性材料和超導(dǎo)體應(yīng)用的“潛力股”。

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