二维量子传感器在高压环境下实现应力与磁性的纳米级原位探测

研究人员针对高压实验中传统光谱技术空间分辨率不足的难题，创新性地将六方氮化硼(hBN)中的硼空位(VB-)缺陷作为二维量子传感器集成到金刚石对顶砧(DAC)中。该研究实现了3.5 GPa压力下应力分布的可视化成像，并成功观测到Cr1+δTe2在0.5 GPa压力驱动的铁磁-顺磁相变，为高压条件下材料物性研究提供了新型原位探测平台。

　　

在探索物质极端条件下的行为时，高压环境能引发超导、磁性等奇异物态，而金刚石对顶砧(DAC)作为产生极端压力的利器却面临传感难题——传统技术难以在微米级腔体内实现纳米精度的测量。更棘手的是，现有氮空位(NV)中心量子传感器要么远离样品，要么因纳米金刚石随机取向无法成像。这种"看得见够不着"的困境严重制约了高压科学的发展。

《Nature Communications》最新研究给出了突破性解决方案：将原子级厚度的六方氮化硼(hBN)中硼空位(V_B^-)缺陷作为二维量子传感器直接植入高压腔。这种设计犹如在金刚石砧面上铺设了纳米级"压力感应膜"，其43 MHz/GPa的应力响应灵敏度是NV中心的三倍，且能紧贴样品实现磁场成像。研究人员通过同位素纯化h¹⁰B^{15N基底和中子辐照制备技术，获得了具有优异自旋特性的V_B-传感器阵列。}

关键技术包括：1) 微型Pasternak DAC系统构建；2) hBN-Cr_1+δTe₂异质结器件制备；3) 光学检测磁共振(ODMR)光谱测量；4) 基于密度泛函理论(DFT)的磁性机制计算。研究团队通过化学气相沉积法合成了δ≈0.5的自插层碲化铬纳米片，其室温铁磁性为验证传感器性能提供了理想模型体系。

【V_B^-在高压下的特性】通过ODMR技术追踪，发现V_B^-的零场分裂(ZFS)随压力呈线性移动，灵敏度达(2π)×(43±7) MHz/GPa，与理论预测完美吻合。有趣的是，超精细耦合常数A_zz也表现出(2π)×(0.5±0.2) MHz/GPa的压力依赖性。这些数据首次直接证实了V_B^-作为原位压力计的可靠性。

B defects under varying pressures.'>

【应力分布成像】研究揭示了NaCl传压介质在2 GPa以上出现的显著应力梯度，这种非静水压效应通过V_B^-对平面应力(σ_xx, σ_yy)的敏感响应被清晰捕捉。理论分析表明，hBN的层状结构使V_B^-对垂直应力σ_zz天然"免疫"，这种选择性响应为解析复杂应力场提供了独特优势。

【磁性相变观测】在Cr_1+δTe₂/hBN异质器件中，V_B^-传感器成功捕获到0.5 GPa压力下铁磁-顺磁转变的微观证据。 depressurization过程中磁化强度的异常恢复行为，暗示压力可能诱导了磁各向异性翻转。DFT计算证实这种转变源于压力削弱了Cr 3d轨道间的交换作用(J)。

1+δTe₂ using V_B defects.'>

这项研究标志着量子传感技术与高压科学的深度融合。V_B^-传感器不仅以三倍于NV中心的灵敏度刷新了压力检测纪录，其原子级薄层特性更实现了与样品的"零距离"接触，为揭示界面现象提供了新视角。特别值得注意的是，该方法可推广至其他二维材料缺陷体系，通过能带工程定制传感器性能。未来结合氖气传压介质，有望将工作压力提升至60 GPa以上，为探索地球深部物质行为、高压超导机制等前沿课题开辟了新途径。