研究人员成功地将纳米级量子传感器布置在所需目标上

摘要：东京大学的科学家完成了在纳米级排列量子传感器的精细任务，使他们能够检测磁场中极小的变化。高分辨率量子传感器将在量子材料和电子设备研究中具有潜在用途。例如，传感器可以帮助开发使用纳米磁性材料作为存储元件的硬盘。这是世界上第一个成功的使用纳米级排列的量子传感器的高分辨率磁场成像。

传感器在我们的日常生活中无处不在，从车库灯到烟雾探测器甚至原子。量子传感器利用原子的特性来感知周围的环境。例如，一个原子改变它的自旋，它有两个值，就像磁铁的两极一样，以响应磁场。磁场传感器在生物医学设备和量子材料研究(包括超导体)中有许多应用。

东京大学助理教授 Kento Sasaki 说：“使用这样一个前所未有的传感器，我们想观察一个没有人见过的微观世界。”

研究人员希望开发稳定的量子传感器，放置在电线和磁盘等目标附近。但直到现在，精确排列原子以实现感知磁场微小变化的能力一直是一项挑战。

“虽然单个量子传感器很小，但它们的空间分辨率受到传感器与测量目标之间距离的限制，”Sasaki 说。为了解决这个问题，研究人员建立了一种在测量目标表面创建纳米级量子传感器的技术。

作为量子传感器，该团队使用二维六方氮化硼中的硼空位或晶格缺陷，这是一种具有氮和硼原子的薄晶体材料。硼空位缺陷是自 2020 年作为量子自旋传感器被发现以来的新成员。

将透明胶带从晶体上拉下来，该团队获得了一层薄的六方氮化硼薄膜。研究人员将薄膜附着在目标金线上。然后他们用高速氦离子束轰击薄膜，从而弹出硼原子并形成 100 nm 2的硼空位点. 每个点都包含许多原子大小的空位，其行为类似于微小的磁针。点彼此越近，传感器的空间分辨率就越好。当电流流过电线时，该团队根据在微波存在下从这些点发出的光的强度来测量每个点的磁场。当磁场的测量值与模拟值紧密匹配时，研究人员感到惊讶，证明了高分辨率量子传感器的功效。

即使在室温下也可以检测到传感器在存在磁场的情况下自旋状态的变化，从而可以轻松检测局部磁场和电流。此外，氮化硼纳米薄膜仅通过范德华力附着在物体上，这意味着量子传感器很容易附着在不同的材料上。

佐佐木和他的团队计划将该技术应用于凝聚态物理和量子材料的研究。Sasaki 补充说：“它将能够直接检测来自石墨烯和微观量子点边缘的特殊状态等磁场。”

原子大小的量子传感器开始彻底改变我们感知微观环境的方式，从而也理解宏观特性。他们的应用超越了基础科学研究。它们可以帮助对人脑进行成像、准确地定位、绘制地下环境图以及检测构造变化和火山爆发。Sasaki 和他的团队正在等待他们的纳米级量子传感器在半导体、磁性材料和超导体中的潜在用途。

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