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)歷一個特定的量子力學過程才能激發(fā)出一定的磁場強度，例如，材料利用電磁場控制自旋態(tài)的能力就與其溫度密切相關(guān)。科學家在這個發(fā)現(xiàn)的基礎上，通過測量這種效應發(fā)生時的場強來確定樣品的溫度。其精度很高，可以區(qū)別出每立方微米材料間的溫度差異。溫度測量和傳感在大多數(shù)工業(yè)、電子和化學反應過程中都是必需的，更高的空間分辨率有利于滿足商業(yè)和科學的需求。該團隊在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；當這種替換發(fā)生在晶格空位旁邊的時候，就會產(chǎn)生一些可以利用的量子特性。這些空位可能儲存有負電荷或中性電荷。帶負電荷的空位中心也是光致發(fā)光中心，當暴露于某些波長的光線中的時候會產(chǎn)生可被探測的發(fā)光。研究人員可以利用磁場來操縱空位中電子的自旋，從而改變光致發(fā)光的強度。

    一個由俄羅斯和德國研究人員組成的研究小組發(fā)明了一種能夠測量溫度和磁場且具有常高分辨率的系統(tǒng)。科學家們生產(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)光強度。

    更強的磁場使這些空位中的電子更容易在自旋態(tài)之間轉(zhuǎn)換。在特定場強下，自旋為3/2的電子經(jīng)歷一種被稱為反交錯的過程后比例迅速變化。光致發(fā)光的強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)測亮度變化來測量磁場的強度。

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

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