量子物理世界本就充满奥秘，而当这个由亚原子粒子构成的奇妙领域承受巨大压力时，又会发生什么？在压力环境下观测量子效应之所以困难，原因很简单：设计能承受极端作用力的传感器极具挑战。

在一项重大突破中，由圣路易斯华盛顿大学（WashU）物理学家领导的团队，在不易破碎的氮化硼结晶薄片中研发出了量子传感器。这类传感器能够测量材料在超过 3 万倍大气压下的应力与磁性。

“我们是首个研发出此类高压传感器的团队。” 艺术与科学学院物理学助理教授、圣路易斯华盛顿大学量子飞跃中心成员庄冲表示，“它在量子技术、材料科学、天文学、地质学等多个领域都拥有广泛的应用前景。”

该团队在《自然・通讯》（Nature Communications）期刊上阐述了其研究成果。论文合著者包括庄冲实验室的研究生（何光辉、龚若天、刘中原、姚昌宇，均为音译）、研究生扎克・雷弗斯（Zack Rehfuss）、博士后研究员陈明峰（音译），以及物理学助理教授王曦（Xi Wang，音译）和冉升（Sheng Ran，音译）。何光辉还曾在哈佛大学停留六个月，与物理学家诺曼・姚（Norman Yao）合作，后者同样是论文合著者。

为研发这款传感器，团队利用中子辐射束将氮化硼薄片中的硼原子 “敲出”，形成的空位可立即捕获电子。由于量子层面的相互作用，电子的自旋能量会根据周围材料的磁性、应力、温度及其他特性发生变化。通过追踪每个电子的自旋状态，就能从量子层面深入了解被测材料的特性。

此前，庄冲及其同事曾通过在金刚石中制造空位来研发量子传感器，这类传感器为华盛顿大学的两台量子金刚石显微镜提供了动力。尽管金刚石传感器效果显著，但存在一个缺陷：由于金刚石是三维结构，很难将传感器放置在靠近被测材料的位置。

与之相反，氮化硼薄片的厚度可不足 100 纳米 —— 约为人类头发丝厚度的 1/1000。“由于传感器处于本质上是二维的材料中，传感器与被测材料之间的距离不足 1 纳米（10 亿分之一米）。” 庄冲解释道。

金刚石在研究中仍发挥着重要作用。“要测量高压环境下的材料，我们需要一个不会破碎的承载平台。” 何光辉说。

金刚石作为自然界中最坚硬的物质，恰好能满足这一需求。何光辉与庄冲实验室的其他成员制造出了 “金刚石对顶砧”—— 两个平整的金刚石表面，每个表面宽约 400 微米（大致相当于 4 个尘埃颗粒的宽度），二者在高压腔室内相互挤压。“制造高压最简单的方法，就是在小面积表面上施加巨大的力。” 何光辉解释道。

测试表明，这款新型传感器能够检测到二维磁体磁场的细微变化。接下来，研究人员计划测试其他材料，包括类似地核高压环境中存在的岩石样本。“测量这些岩石在压力下的反应，有助于我们更好地理解地震及其他大规模地质活动。” 庄冲表示。

这类传感器还有望推动超导性研究 —— 超导性即材料在无电阻状态下导电的能力。目前已知的超导体需要在极高压力和极低温度下才能实现超导。此前有说法称某些材料可在室温下实现超导，但这一观点极具争议。“借助这类传感器，我们能收集必要数据来终结这场争议。” 龚若天（与何光辉同为论文第一作者）表示。

“如今我们拥有了这类传感器、高压腔室和金刚石对顶砧，未来将获得更多探索机会。” 庄冲说。

期刊信息：《自然・通讯》（Nature Communications）

信息来源：圣路易斯华盛顿大学