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研究小组用艾菲物理技术研究所合成的碳化硅芯片制作了的传感器

图片来源:安德烈·阿尼西莫夫


研究人员最近发现,材料需要经历一个特定的量子力学过程才能激发出一定的磁场强度例如,材料利用电磁场控制自旋态的能力就与其温度密切相关。科学家在这个发现的基础上,通过测量这种效应发生时的场强来确定样品的温度。其精度很高,可以区别出每立方微米材料间的温度差异。温度测量和传感在大多数工业、电子和化学反应过程中都是必需的,更高的空间分辨率有利于满足商业和科学的需求。该团队在AIP出版出版的AIP Advances上发表了他们的研究成果。


氮原子可以取代钻石中的碳原子;当这种替换发生在晶格空位旁边的时候,就会产生一些可以利用的量子特性。这些空位可能储存有负电荷或中性电荷。带负电荷的空位中心也是光致发光中心,当暴露于某些波长的光线中的时候会产生可被探测的发光。研究人员可以利用磁场来操纵空位中电子的自旋,从而改变光致发光的强度。


一个由俄罗斯和德国研究人员组成的研究小组发明了一种能够测量温度和磁场且具有常高分辨率的系统。科学家们生产出的碳化硅晶体具有的空位类似于金刚石中的氮空位中心。他们将碳化硅暴露在恒定磁场环境中,然后用红外激光照射,并记录了碳化硅产生的光致发光强度。


更强的磁场使这些空位中的电子更容易在自旋态之间转换。在特定场强下,自旋为3/2的电子经历一种被称为反交错的过程后比例迅速变化。光致发光的强度取决于各种自旋态的电子所占的比例,因此研究者可以通过监测亮度变化来测量磁场的强度。


此外,当这些空位中的电子发生交叉弛豫时,发光强度会突然发生变化。在这个过程中,一个量子系统与另一个系统共享基态能量,两者都处于中间态。诱导交叉弛豫所需的场强与材料的温度直接相关。科学家通过改变磁场强度,记录发光强度突然变化时的场强,据此可以计算出所研究晶体区域的温度。研究小组意外地发现,这种量子效应即使在室温下仍然存在。


这篇论文的作者之一、俄罗斯科学院艾菲物理技术研究所(Ioffe Physical-Technical Institute )的安德烈·阿尼西莫夫(Andrey Anisimov)说:“这项研究成果让我们可以在同一个设备中制作温度传感器和磁场传感器。此外,传感器可缩小至100纳米,这将促进其在空间工业、地球物理观测甚至生物系统领域的应用。碳化硅与金刚石相比更是一种普遍的半导体材料,碳化硅已经成为制作二极管和晶体管的材料之一。


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