一种称为六方氮化硼 （h-BN） 的材料微小薄片可能有助于将来读取您身体的磁信号。这是™由二维 （2D） 材料制成的量子传感器的一个潜在应用，由 CQT 首席研究员高伟波领导的一个团队已经证明，它可以被引导来感应磁场。

国际团队的进展涉及对 h-BN 2D 层缺陷处自旋的精确控制和操纵。他们的结果于 2024 年 6 月 24 日发表在《物理评论快报》上，并作为编辑™建议突出显示。该论文™的合著者来自新加坡、中国、日本和德国。

2D 材料在量子传感方面很有前途，因为它们可以直接放置在样品上。这个小距离意味着它们甚至可以对最小的磁信号敏感，并绘制它们在表面上的差异。它们也很容易制造。

Weibo ™在南洋理工大学的团队是该大学的物理学校长™讲座教授，他从日本的合作者那里获得了一大笔 h-BN。他们 “去角质 ”™晶体，使用胶带去除仅包含单层原子的 2D 薄片。

在 h-BN 中，通常每个硼原子都与晶格中的三个氮原子键合。如果缺少硼原子，晶格中的间隙称为硼空位缺陷。该团队通过用质子轰击材料来产生这种缺陷。

“我们考虑了缺陷是否类似于钻石中的氮空位 （NV） 中心，”该出版物的第一作者、CQT 研究员 Ru Shihao 说。“如果这些缺陷保持了一些我们可以控制的自旋特性，我们就可以使用这些材料进行量子传感。”

Shihao 在从事这个项目时，作为一名来自中国的博士生正在访问微博™的群组。他现在是另一个 CQT 小组的研究员。

缺陷结构

金刚石中的 NV 色心具有自旋特性，这些特性已经被用于量子传感，但金刚石不能像 2D 材料一样薄。这让人们希望 2D 材料对小信号更敏感，并提供更好的空间分辨率。

该团队面临的问题是，他们是否能够控制和测量 h-BN 缺陷处的核自旋。这对于用于传感的材料是必需的™。

目标是高核自旋极化：当材料的核自旋沿同一方向排列时，当自旋因外部磁场而发生变化时，会变得更容易检测到。

研究人员发现，他们可以应用一种称为“基态反交叉”（™ GSLAC） 的技术来实现 h-BN 中强大的核自旋极化水平。h-BN 中的硼空位缺陷具有带负电的电子。h-BN 中的核自旋状态是由于缺陷™电子的自旋与周围氮原子的核自旋之间的相互作用而产生的。电子必须处于相同的核自旋状态才能实现高核自旋极化。

Shihao 说：“这项工作最重要的部分是了解物理系统。

使电子进入相同的核自旋状态很困难，因为不同状态之间没有直接跃迁。GSLAC 会改变这种情况。

GSLAC 涉及对材料施加磁场。随着磁场的调谐，不同的基态能级混合并变得几乎简并。这使得电子更容易从一个核自旋态转移到另一个核自旋态，从而实现更高的核极化。

更多时间处于基态

在他们的工作中，研究人员将 GSLAC 与另一种技术激发状态级反交叉 （ESLAC） 进行了比较。后一种方法类似于 GSLAC，不同之处在于它发生在激发能级混合时。研究人员对 GSLAC 施加了约 154.6 mT 的磁场，对 ESLAC 施加了 74.9 mT 的磁场。

使用 GSLAC，研究人员分别记录了 150 mW 和 1.5 mW 激光功率的核偏振水平约为 0.225 和 0.17。这些水平大大高于 ESLAC 达到的偏振水平，对于 150 mW 和 1.5 mW 的激光功率，ESLAC 达到的偏振水平分别为 0.0655 和 0.0343。他们所有的测量都是在室温下进行的。

“在这个系统中，激振态的™寿命只有 1 到 2 ns，”Shihao 说。“如果我们使用 GSLAC 从一个核自旋态转移到另一个核自旋态，电子就会有更多的时间。”

像这样对齐自旋将是将材料用于量子传感的第一步，例如用于生物样品或测量材料的性能。基于量子自旋的传感器的高灵敏度和分辨率导致人们提议将它们用于生物应用，从测量单个细胞到通过可穿戴传感器监测大脑活动。

该团队的™下一个目标之一是使这种材料更适用于量子传感。“我们将努力以电子方式读取信号。现在我们用光学方式读取它，但电子设备可以更紧凑，“Weibo 说。