量子物理世界本就充滿奧秘，而當(dāng)這個(gè)由亞原子粒子構(gòu)成的奇妙領(lǐng)域承受巨大壓力時(shí)，又會發(fā)生什么？在壓力環(huán)境下觀測量子效應(yīng)之所以困難，原因很簡單：設(shè)計(jì)能承受極端作用力的傳感器極具挑戰(zhàn)。

在一項(xiàng)重大突破中，由圣路易斯華盛頓大學(xué)（WashU）物理學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，在不易破碎的氮化硼結(jié)晶薄片中研發(fā)出了量子傳感器。這類傳感器能夠測量材料在超過 3 萬倍大氣壓下的應(yīng)力與磁性。

“我們是首個(gè)研發(fā)出此類高壓傳感器的團(tuán)隊(duì)�！� 藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院物理學(xué)助理教授、圣路易斯華盛頓大學(xué)量子飛躍中心成員莊沖表示，“它在量子技術(shù)、材料科學(xué)、天文學(xué)、地質(zhì)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域都擁有廣泛的應(yīng)用前景。”

該團(tuán)隊(duì)在《自然・通訊》（Nature Communications）期刊上闡述了其研究成果。論文合著者包括莊沖實(shí)驗(yàn)室的研究生（何光輝、龔若天、劉中原、姚昌宇，均為音譯）、研究生扎克・雷弗斯（Zack Rehfuss）、博士后研究員陳明峰（音譯），以及物理學(xué)助理教授王曦（Xi Wang，音譯）和冉升（Sheng Ran，音譯）。何光輝還曾在哈佛大學(xué)停留六個(gè)月，與物理學(xué)家諾曼・姚（Norman Yao）合作，后者同樣是論文合著者。

為研發(fā)這款傳感器，團(tuán)隊(duì)利用中子輻射束將氮化硼薄片中的硼原子 “敲出”，形成的空位可立即捕獲電子。由于量子層面的相互作用，電子的自旋能量會根據(jù)周圍材料的磁性、應(yīng)力、溫度及其他特性發(fā)生變化。通過追蹤每個(gè)電子的自旋狀態(tài)，就能從量子層面深入了解被測材料的特性。

此前，莊沖及其同事曾通過在金剛石中制造空位來研發(fā)量子傳感器，這類傳感器為華盛頓大學(xué)的兩臺量子金剛石顯微鏡提供了動力。盡管金剛石傳感器效果顯著，但存在一個(gè)缺陷：由于金剛石是三維結(jié)構(gòu)，很難將傳感器放置在靠近被測材料的位置。

與之相反，氮化硼薄片的厚度可不足 100 納米 —— 約為人類頭發(fā)絲厚度的 1/1000。“由于傳感器處于本質(zhì)上是二維的材料中，傳感器與被測材料之間的距離不足 1 納米（10 億分之一米）�！� 莊沖解釋道。

金剛石在研究中仍發(fā)揮著重要作用�！耙獪y量高壓環(huán)境下的材料，我們需要一個(gè)不會破碎的承載平臺�！� 何光輝說。

金剛石作為自然界中最堅(jiān)硬的物質(zhì)，恰好能滿足這一需求。何光輝與莊沖實(shí)驗(yàn)室的其他成員制造出了 “金剛石對頂砧”—— 兩個(gè)平整的金剛石表面，每個(gè)表面寬約 400 微米（大致相當(dāng)于 4 個(gè)塵埃顆粒的寬度），二者在高壓腔室內(nèi)相互擠壓�！爸圃旄邏鹤詈唵蔚姆椒ǎ�就是在小面積表面上施加巨大的力�！� 何光輝解釋道。

測試表明，這款新型傳感器能夠檢測到二維磁體磁場的細(xì)微變化。接下來，研究人員計(jì)劃測試其他材料，包括類似地核高壓環(huán)境中存在的巖石樣本�！皽y量這些巖石在壓力下的反應(yīng)，有助于我們更好地理解地震及其他大規(guī)模地質(zhì)活動�！� 莊沖表示。

這類傳感器還有望推動超導(dǎo)性研究 —— 超導(dǎo)性即材料在無電阻狀態(tài)下導(dǎo)電的能力。目前已知的超導(dǎo)體需要在極高壓力和極低溫度下才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。此前有說法稱某些材料可在室溫下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，但這一觀點(diǎn)極具爭議�！敖柚�這類傳感器，我們能收集必要數(shù)據(jù)來終結(jié)這場爭議�！� 龔若天（與何光輝同為論文第一作者）表示。

“如今我們擁有了這類傳感器、高壓腔室和金剛石對頂砧，未來將獲得更多探索機(jī)會。” 莊沖說。

期刊信息：《自然・通訊》（Nature Communications）

信息來源：圣路易斯華盛頓大學(xué)