一个二维传感器被挤压在两个金刚石砧之间

美国华盛顿大学领导的研究团队成功研制出一种能在极端高压条件下稳定工作的量子传感器。该传感器可在超过大气压3万倍的极端环境中，实现对材料应力和磁性的高灵敏测量，是首个在此类高压环境中成功运行的量子传感器，为探索物质在极端状态下的量子效应提供了有力工具。

研究团队采用独特方法构建传感器。他们利用中子辐射束从氮化硼薄片中击出硼原子，在晶格中留下空位，这些空位会迅速捕获电子。由于量子级相互作用，电子的自旋能量会依据磁性、应力、温度以及附近材料的其他特性而改变。通过追踪每个电子的自旋，团队得以在量子层面深入了解被研究材料。

钻石的量子传感器技术的快速磁成像

此前，该团队曾基于钻石缺陷开发量子传感器，但钻石的三维结构使其难以紧贴待研究材料。而此次使用的氮化硼薄片厚度可小于100纳米，仅为头发丝宽度的千分之一。这种二维材料中的传感器与被测材料距离不到1纳米，极大提升了信号分辨率。

在装置设计上，团队制作了“钻石砧”。它由两块平坦的钻石表面组成，每块宽约400微米，大致相当于4颗尘埃颗粒的宽度。这两个表面在高压腔中挤压在一起，产生超过3万倍大气压的极端环境。测试结果显示，新型传感器能探测到二维磁体磁场的微小变化，在高压条件下保持稳定和高灵敏度。该传感器为超导研究带来新契机。超导体通常需极端低温和高压维持，近年来室温超导报道争议不断。借助此传感器，团队可在高压条件下收集更准确的量子探测数据，为相关研究提供可靠依据。

普林斯顿大学

美国普林斯顿大学研究团队基于工程化钻石缺陷打造出新型钻石量子传感器，其磁场探测灵敏度较现有技术提升约40倍，可揭示凝聚态材料中此前“不可见”的隐秘磁波动，为研究石墨烯、超导体等量子材料打开新窗口。

该传感器基于实验室培育的超高纯度钻石。这些钻石比天然钻石纯净得多，植入的缺陷极其微小，在数十亿个原子组成的晶格中仅缺失一个原子。由于这些缺陷会与磁场强烈相互作用且可被精确设计，成为极佳的磁场传感器。

团队在钻石表面植入两个相距仅约10纳米的氮空位中心，使它们在量子力学层面发生相互作用并形成纠缠。纠缠状态下，两个缺陷如同“协同工作”的双探针，能从噪声背景中提取高度相关的磁信号，显著提升灵敏度。此前类似研究多依赖原子阵列等理想体系，而新技术可直接在真实材料中探测磁现象。

氮空位中心的植入过程极具技术挑战。团队以超过每秒3万英尺的速度用氮分子轰击钻石，使分子解离成两个氮原子，并在可控能量下穿透至钻石表面下约20纳米处。如此精确的深度与间距使氮原子电子自发产生量子纠缠，成为实现高灵敏度探测的关键。这一突破使研究人员首次在原子尺度至可见光波长之间的关键区间，直接观测此前难以获取的磁噪声与电子行为，包括电子在材料中传播与散射的过程，以及超导材料在特殊条件下出现的磁通涡旋演化。

两个研究团队均表示，新型量子传感器未来前景广阔。有望用于研究非常规超导、拓扑量子态等前沿课题，并为下一代量子材料设计提供实验依据。随着技术的不断发展和完善，量子传感器将在更多领域发挥重要作用，推动科学研究的深入发展，为人类探索微观世界和开发新型材料带来更多惊喜。