六方氮化硼中单自旋缺陷实现矢量量子磁强计的突破性研究

为解决传统量子磁强计在强偏轴磁场下信号淬灭和空间分辨率受限的难题，剑桥大学团队利用六方氮化硼(hBN)中的碳相关S=1自旋缺陷，开发出具有多轴传感能力、150 mT动态范围和μT/Hz-1/2灵敏度的新型量子传感器。该研究通过光动力学建模揭示了自旋选择性系间窜越(ISC)机制，首次实现仅需两个偏置场即可完成三维磁场矢量解析，为纳米级磁成像提供了革新性工具。

　　

量子传感技术近年来在凝聚态物理、生物医学等领域展现出巨大潜力，但现有主流传感器——金刚石氮空位(NV)中心面临严峻挑战：当磁场方向与缺陷轴向偏差超过10 mT时，光学检测磁共振(ODMR)信号会因自旋混合而淬灭。这一局限严重阻碍了复杂磁场环境下的纳米级测量，迫使研究人员在空间分辨率与测量稳定性间艰难取舍。更棘手的是，传统传感器仅能通过单轴投影重建磁场矢量，存在固有信息缺失。

剑桥大学团队在《Nature Communications》发表的突破性研究，通过开发六方氮化硼(hBN)中的碳相关自旋缺陷系统，一举攻克了这些技术瓶颈。研究人员采用金属有机气相外延(MOVPE)生长30 nm厚hBN薄膜，通过共聚焦显微镜定位单缺陷，结合自主搭建的矢量磁场调控系统，实现了室温下对单个S=1自旋缺陷的光学操控与表征。关键技术包括：Hanbury-Brown-Twiss干涉仪测量二阶自相关函数g⁽²⁾(t)，脉冲ODMR解析自旋动力学，以及基于速率方程的全局拟合模型量化光激发态过程。

S=1系统在高磁场下的动态范围
研究首次在零场下观测到三个明确的ODMR共振峰(f_A=0.140 GHz, f_B=1.957 GHz)，对应|G_x?-|G_y?和|G_z?-|G_y?跃迁，揭示了D=2.027 GHz和E=70 MHz的低对称性零场分裂参数。当施加51 mT偏轴磁场时，所有共振峰仍保持显著对比度（最高12.9%），远优于NV中心在相似条件下的性能。

碳相关hBN自旋的光动力学
通过全局拟合g⁽²⁾(t)和脉冲ODMR数据，团队发现该系统的辐射衰减率(Γ_E→G=163 MHz)与非辐射系间窜越速率(k_E→S0=200.8 MHz)相当，且存在强烈的自旋选择性：|E_y?→|S₀?的直接ISC占比高达94.6%，而|S₀?→|G_y?的反向ISC达99.4%。这种独特的动力学特性解释了为何在强偏轴场下仍能保持光学自旋初始化效率。

低对称性自旋实现的矢量磁场传感
研究提出创新性双偏置场测量协议：先通过yz平面内的B₁场解析T_y、T_z分量，再配合xy平面的B₂场确定T_x分量。模拟显示对0.1 mT目标场，1秒测量即可实现三维矢量重构，空间模糊度从单场测量的柱状分布（ΔT_x不确定）缩减为点状解。

这项研究标志着量子传感技术的范式转变。hBN自旋缺陷不仅具备1.5 μT/Hz^-1/2的基准灵敏度（与浅层NV中心相当），其原子级厚度更可实现<20 nm的空间分辨率。Carmem M. Gilardoni等揭示的多轴传感机制，突破了传统传感器对磁场方向的严苛限制，为研究二维材料磁畴、生物磁信号等复杂体系开辟了新途径。特别值得注意的是，缺陷-缺陷间光学动力学的差异性暗示了通过应变工程调控性能的可能性，这为未来定制化量子传感器的开发提供了重要思路。