突破高压极限！华盛顿大学开发新型量子传感器破解室温超导之谜
发布时间：2025-09-15 17:23:34 阅读数： 173
示意图显示，一个二维传感器被挤压在两个金刚石砧之间
量子物理的世界本就充满神秘，但当这个亚原子粒子的奇异领域承受巨大压力时，又会发生什么？事实证明，在高压环境下观测量子效应之所以困难重重，原因很简单：设计出能承受极端压力的传感器本身就是一项挑战。
近日，由华盛顿大学物理学家领导的研究团队取得了一项重大进展，他们在一层坚不可摧的结晶氮化硼薄片中制造出了量子传感器。这些传感器能在超过大气压3万倍的压力下测量材料的应力和磁性。
该研究首次实现了高压环境下量子传感器的稳定运行，为量子科技、材料研究甚至天体物理学和地质学打开了新的探测窗口。相关研究成果以“Probing stress and magnetism at high pressures with two-dimensional quantum sensors”为题已发表在《自然-通讯》期刊上。
为制造传感器，研究团队利用中子辐射束将硼原子从氮化硼薄片中击出。形成的空位可立即捕获电子。由于量子级相互作用，这些电子会根据磁场、应力、温度及邻近材料的其他特性改变自旋能量。追踪每个电子的自旋状态，能深入揭示被研究材料的量子级特性。
研究人员此前通过在金刚石中制造空位来制造量子传感器，这些传感器为华盛顿大学的两台量子金刚石显微镜提供动力。尽管有效，但金刚石传感器存在一个缺点：由于金刚石是三维结构，很难将传感器放置在被研究材料附近。
基于六方氮化硼缺陷的高压量子传感实验平台
相比之下，氮化硼薄片厚度可小于100纳米——约为人头发丝的千分之一。研究人员表示由于传感器置于本质上二维的材料中，其与被测材料之间的距离不足1纳米（十亿分之一米）。
在高压环境下的材料测量领域，金刚石依旧扮演着关键角色。为了测量高压环境下的材料，研究人员需要将样品置于不易破损的平台上。金刚石作为自然界中最坚硬的物质，金刚石恰好能满足这一核心需求。
高压室内应力梯度的空间分布。
该研究团队为此制造了“金刚石砧座”——两个宽约400微米（约四颗尘?？帕？矶龋┑钠教菇鸶帐砻?，在高压腔室内相互挤压。研究人员表示：“产生高压最简便的方式，就是在小面积上施加巨大压力?！?/span>
测试表明，该传感器已成功探测到二维磁体中的微弱磁场变化。研究团队下一步计划将其应用于地球核心高压环境下的类似岩石样本，通过精确测量其应力响应，为理解地震等大型地质现象的物理机制提供新视角。
此外，这一传感器技术也有望推动超导研究的发展。目前超导体通常需在极高压与低温条件下工作，而近年来有关“室温超导”的争议持续不断。该传感器能够为这类争论提供关键验证数据，帮助科学家在高压条件下直接观测材料的电性行为。团队表示，凭借新型传感器、高压腔与金刚石砧实验平台，未来将在多个高压科学领域开拓更多探索机遇。
