中国科大实现利用利用二维六方氮化硼VB-的纳米磁子的高分辨率探测与成像 2025-02-17

中国科学技术大学物理学院、中国科学院量子信息重点实验室孙方稳教授团队利用二维六方氮化硼(hBN)中的硼空位(VB-)自旋缺陷作为量子传感器，成功实现了纳米尺度磁子的高分辨率探测与成像。相关成果以“Detecting and Imaging of Magnons at Nanoscale with van der Waals Quantum Sensor”为题，于2025年1月9日正式发表在国际材料科学期刊《Advanced Functional Materials》上。

基于固态自旋的量子传感器已广泛应用于磁子杂散场的高灵敏度探测。然而，磁子杂散磁场随距离的衰减对量子传感器提出了更高要求，常用的基于块状金刚石氮空位(NV)色心的量子传感器受限于表面粗糙度，难以实现样品与传感器的纳米级间距。近年来，在二维材料hBN中发现的VB-自旋为近表面量子传感提供了新的工具。二维材料可以通过范德瓦耳斯力与异质材料无缝贴合，从而确保了二维量子传感器与样品的高度接近。

孙方稳课题组聚焦二维材料hBN中的VB-缺陷，通过优化制备工艺将传感器与钇铁石榴石（YIG）样品的间距缩短至40纳米。这一纳米级近表面耦合显著提升了探测灵敏度，使传感器能够捕获更广波矢范围的磁子信号，成像分辨率接近光学衍射极限。此外，VB-独特的垂直对称轴特性有效区分了微波直接驱动场与磁子杂散场，为垂直磁各向异性(PMA)材料的分析提供了新方法。研究团队通过多维度实验验证了技术的可靠性。在热磁子探测中，结合自旋弛豫测量与理论模型，揭示了磁子噪声的磁场依赖性规律。针对微波激发的磁子，团队制备了相应的磁子学结构，展示出二维固态自旋在微波频域和空间域上都充分具备磁子的探测能力，达到了亚微米级空间分辨率。

这些成果为磁子的高精度探测与空间成像提供新的方法，为磁子低能耗信息器件的研究提供支持。未来结合超分辨成像、多物理量传感和hBN薄膜规模化制备工艺，可以为晶圆级磁子电路提供高分辨率原位表征手段。

论文第一作者为中国科学技术大学博士研究生臧翰翔，通讯作者为陈向东副研究员与孙方稳教授。该研究获科技创新2030重大项目、国家自然科学基金及安徽省重点研发计划支持。