英國劍橋團隊突破性研發：原子級薄量子磁感測器開啟奈米科技新紀元

劍橋大學物理學家團隊近日在《自然通訊》期刊發表重大研究成果，成功利用六方氮化硼(hBN)中的自旋缺陷，開發出能在常溫下運作的量子磁感測器。這項突破性技術不僅超越傳統鑽石氮空位(NV)感測器的效能，更為奈米級磁場檢測開創全新可能性。

研究共同第一作者、劍橋大學卡文迪許實驗室的Carmem Gilardoni博士指出：「這種新型量子感測器讓我們能以前所未有的精細度觀測材料的電流流動與磁化特性，為發現新物理現象和功能開闢道路。hBN材料的獨特性質，使其在保持奈米級應用相容性的同時，還提供了現有尖端量子感測器所缺乏的多維度檢測能力。」

相較於傳統鑽石NV感測器僅能檢測單一軸向磁場且動態範圍有限的缺陷，劍橋團隊開發的hBN感測器實現了多軸向磁場檢測，並具備更寬廣的動態範圍。研究人員不僅驗證了感測器的卓越效能，更深入解析其物理機制，發現hBN缺陷的低對稱性和激發態光學特性是實現這些優勢的關鍵。

這種二維材料類似石墨烯，可剝離至僅有數個原子層厚度。hBN晶格中的原子級缺陷會吸收和發射可見光，其特性對區域性磁場狀態極為敏感，因而成為量子感測應用的理想選擇。研究團隊採用光學檢測磁共振(ODMR)技術，透過精確追蹤自旋響應並結合光子發射動力學分析，成功揭示了系統的光學速率與缺陷對稱性之間的關聯。

論文共同第一作者Simone Eizagirre Barker博士強調：「雖然ODMR並非新技術，但我們證明瞭基於hBN平臺的探測器能讓這項技術應用在更多新情境中。這令人興奮，因為它讓我們能以全新方式觀測磁性現象和奈米材料。」

共同領導研究的Hannah Stern教授補充說明：「這種感測器不僅能以更高空間解析度研究新材料系統的磁性現象，其宿主材料的二維特性更帶來令人振奮的新應用可能。由於技術的空間解析度取決於樣本與感測器間的距離，使用原子級薄材料讓我們有望實現磁場的原子級空間對映。」

這項突破性研究為量子技術的實際應用鋪平道路，未來可望在材料科學、電子工程和生物醫學等領域帶來革命性進展。