研究小組用艾菲物理技術(shù)研究所合成的碳化硅芯片制作了的傳感器

    圖片來源：安德烈·阿尼西莫夫

    研究人員最近發(fā)現(xiàn)，材料需要經(jīng)歷一個(gè)特定的量子力學(xué)過程才能激發(fā)出一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度，例如，材料利用電磁場(chǎng)控制自旋態(tài)的能力就與其溫度密切相關(guān)。科學(xué)家在這個(gè)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過測(cè)量這種效應(yīng)發(fā)生時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)來確定樣品的溫度。其精度很高，可以區(qū)別出每立方微米材料間的溫度差異。溫度測(cè)量和傳感在大多數(shù)工業(yè)、電子和化學(xué)反應(yīng)過程中都是必需的，更高的空間分辨率有利于滿足商業(yè)和科學(xué)的需求。該團(tuán)隊(duì)在AIP出版出版的AIP Advances上發(fā)表了他們的研究成果。

    氮原子可以取代鉆石中的碳原子；當(dāng)這種替換發(fā)生在晶格空位旁邊的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生一些可以利用的量子特性。這些空位可能儲(chǔ)存有負(fù)電荷或中性電荷。帶負(fù)電荷的空位中心也是光致發(fā)光中心，當(dāng)暴露于某些波長(zhǎng)的光線中的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生可被探測(cè)的發(fā)光。研究人員可以利用磁場(chǎng)來操縱空位中電子的自旋，從而改變光致發(fā)光的強(qiáng)度。

    一個(gè)由俄羅斯和德國(guó)研究人員組成的研究小組發(fā)明了一種能夠測(cè)量溫度和磁場(chǎng)且具有常高分辨率的系統(tǒng)。科學(xué)家們生產(chǎn)出的碳化硅晶體具有的空位類似于金剛石中的氮空位中心。他們將碳化硅暴露在恒定磁場(chǎng)環(huán)境中，然后用紅外激光照射，并記錄了碳化硅產(chǎn)生的光致發(fā)光強(qiáng)度。

    更強(qiáng)的磁場(chǎng)使這些空位中的電子更容易在自旋態(tài)之間轉(zhuǎn)換。在特定場(chǎng)強(qiáng)下，自旋為3/2的電子經(jīng)歷一種被稱為反交錯(cuò)的過程后比例迅速變化。光致發(fā)光的強(qiáng)度取決于各種自旋態(tài)的電子所占的比例，因此研究者可以通過監(jiān)測(cè)亮度變化來測(cè)量磁場(chǎng)的強(qiáng)度。

    此外，當(dāng)這些空位中的電子發(fā)生交叉弛豫時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度會(huì)突然發(fā)生變化。在這個(gè)過程中，一個(gè)量子系統(tǒng)與另一個(gè)系統(tǒng)共享基態(tài)能量，兩者都處于中間態(tài)。誘導(dǎo)交叉弛豫所需的場(chǎng)強(qiáng)與材料的溫度直接相關(guān)。科學(xué)家通過改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，記錄發(fā)光強(qiáng)度突然變化時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)，據(jù)此可以計(jì)算出所研究晶體區(qū)域的溫度。研究小組意外地發(fā)現(xiàn)，這種量子效應(yīng)即使在室溫下仍然存在。

    這篇論文的作者之一、俄羅斯科學(xué)院艾菲物理技術(shù)研究所（Ioffe Physical-Technical Institute ）的安德烈·阿尼西莫夫（Andrey Anisimov）說：“這項(xiàng)研究成果讓我們可以在同一個(gè)設(shè)備中制作溫度傳感器和磁場(chǎng)傳感器。此外，傳感器可縮小至100納米，這將促進(jìn)其在空間工業(yè)、地球物理觀測(cè)甚至生物系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用。碳化硅與金剛石相比更是一種普遍的半導(dǎo)體材料，碳化硅已經(jīng)成為制作二極管和晶體管的材料之一。