近日，德國維爾茨堡大學的科學家領導的國際合作團隊成功研發一種新型原子傳感器。它基于氮化硼二維晶格中人工產生的自旋缺陷(量子位元)，可以在沒有任何電接觸的情況下，測量溫度、壓力和磁場等環境變化。相關成果發表在《自然通訊》雜志上。

氮化硼六方晶相具有二維平面石墨烯狀結構和原子級薄度，與其他二維晶體結構高度兼容。近年來，氮化硼的結構和電子性能引起了許多研究者的興趣。德國維爾茨堡大學的弗拉基米爾·迪亞科諾夫教授領導的國際團隊先是成功地在氮化硼的層狀晶體中創造了自旋缺陷，并通過實驗識別了它們;隨后又成功實現了室溫下六方氮化硼中硼空位中心集合體的相干控制，為具有全新特性的人造異質結構或在其上構建電子設備鋪平了道路。

現在，這個包括澳大利亞悉尼科技大學和加拿大特倫特大學的科學家在內的國際團隊取得了新的進展，成功研發基于氮化硼二維晶體自旋缺陷的新型原子傳感器。該傳感器的核心是氮化硼制成的晶格中人工產生的具有角動量(自旋)的硼缺陷。缺陷對其原子環境非常敏感，例如與其他原子或原子層的距離。迪亞科諾夫解釋說，這意味著可以用它來測量局部磁場、溫度甚至壓力。測量可以完全通過激光進行，傳感器不需要任何電接觸。

氮化硼自旋缺陷的一個新特征是它位于二維晶格中。這開辟了全新的應用可能性。迪亞科諾夫說：“使用只有一個原子層的氮化硼層的想法特別有趣，這樣傳感器就直接位于要檢查的組件的表面，這將實現與環境的直接交互。”氮化硼目前是封裝新型2D組件(如納米尺寸晶體管)的標準材料。科學家可以在經常使用的氮化硼材料中人工嵌入原子傳感器，使得傳感器可以直接測量各種組件上的溫度、壓力和磁場等影響。

論文第一作者，德國維爾茨堡大學的物理學博士生安德烈亞斯·戈特紹爾解釋說：“通過巧妙地打開和關閉不同頻率的微波，可以操縱自旋缺陷，從而可以得出不同的外部影響，如溫度、壓力和磁場。”目前為止，研究人員已經展示了傳感器如何處理數百萬個自旋缺陷的大型集合。接下來，他們將研究單個自旋缺陷如何作為傳感器工作。

與現有的由金剛石或碳化硅制成的傳感器相比，新型原子傳感器不僅適用于溫度和磁場的局部測量，還可以更加靈敏地對外部壓力變化做出反應。其可能的應用領域包括醫學、導航，需要電磁場非接觸式測量的地方或信息技術中的成像。長遠來看，它還可以用作商業傳感器，并可能會徹底改變醫學成像。

(記者李山)