德国研发基于氮化硼的新型原子传感器

近日，德国维尔茨堡大学的科学家领导的国际合作团队成功研发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(量子位元)，可以在没有任何电接触的情况下，测量温度、压力和磁场等环境变化。相关成果发表在《自然通讯》杂志上。

氮化硼六方晶相具有二维平面石墨烯状结构和原子级薄度，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能引起了许多研究者的兴趣。德国维尔茨堡大学的弗拉基米尔·迪亚科诺夫教授领导的国际团队先是成功地在氮化硼的层状晶体中创造了自旋缺陷，并通过实验识别了它们;随后又成功实现了室温下六方氮化硼中硼空位中心集合体的相干控制，为具有全新特性的人造异质结构或在其上构建电子设备铺平了道路。

现在，这个包括澳大利亚悉尼科技大学和加拿大特伦特大学的科学家在内的国际团队取得了新的进展，成功研发基于氮化硼二维晶体自旋缺陷的新型原子传感器。该传感器的核心是氮化硼制成的晶格中人工产生的具有角动量(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。迪亚科诺夫解释说，这意味着可以用它来测量局部磁场、温度甚至压力。测量可以完全通过激光进行，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。这开辟了全新的应用可能性。迪亚科诺夫说：“使用只有一个原子层的氮化硼层的想法特别有趣，这样传感器就直接位于要检查的组件的表面，这将实现与环境的直接交互。”氮化硼目前是封装新型2D组件(如纳米尺寸晶体管)的标准材料。科学家可以在经常使用的氮化硼材料中人工嵌入原子传感器，使得传感器可以直接测量各种组件上的温度、压力和磁场等影响。

论文第一作者，德国维尔茨堡大学的物理学博士生安德烈亚斯·戈特绍尔解释说：“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，从而可以得出不同的外部影响，如温度、压力和磁场。”目前为止，研究人员已经展示了传感器如何处理数百万个自旋缺陷的大型集合。接下来，他们将研究单个自旋缺陷如何作为传感器工作。

与现有的由金刚石或碳化硅制成的传感器相比，新型原子传感器不仅适用于温度和磁场的局部测量，还可以更加灵敏地对外部压力变化做出反应。其可能的应用领域包括医学、导航，需要电磁场非接触式测量的地方或信息技术中的成像。长远来看，它还可以用作商业传感器，并可能会彻底改变医学成像。