研究人員最近發(fā)現(xiàn)，引發(fā)特定量子力學(xué)過程所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度，例如光致發(fā)光和用電磁(EM)場(chǎng)控制自旋狀態(tài)的能力，對(duì)應(yīng)于材料的溫度?；谶@一發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家們可以通過測(cè)量這種效應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)強(qiáng)來確定樣品的溫度，分辨率為1立方微米。溫度傳感在大多數(shù)工業(yè)，電子和化學(xué)過程中都是不可或缺的，因此更大的空間分辨率可能有利于商業(yè)和科學(xué)的追求。該團(tuán)隊(duì)在AIP Publishing的AIP Advances上報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)。

在鉆石中，氮原子可以取代碳原子; 當(dāng)這種情況發(fā)生在晶格中的空位旁邊時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生有用的量子特性。這些職位空缺可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面或中性。帶負(fù)電的空位中心也是光致發(fā)光的，并且當(dāng)暴露于某些波長(zhǎng)的光時(shí)會(huì)產(chǎn)生可檢測(cè)的發(fā)光。研究人員可以利用磁場(chǎng)來控制空位中電子的自旋，這會(huì)改變光致發(fā)光的強(qiáng)度。

俄羅斯和德國(guó)研究人員組成的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)能夠以非常小的分辨率測(cè)量溫度和磁場(chǎng)的系統(tǒng)。科學(xué)家們制作了碳化硅晶體，其空位與鉆石中的氮空位中心相似。然后，它們?cè)诖嬖诤愣ù艌?chǎng)的情況下將碳化硅暴露于紅外激光并記錄所得的光致發(fā)光。

更強(qiáng)的磁場(chǎng)使這些空位中的電子更容易在能量自旋狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移。在特定的場(chǎng)強(qiáng)下，在稱為反交叉的過程中，具有自旋3/2的電子的比例快速變化。光致發(fā)光的亮度取決于各種自旋狀態(tài)下電子的比例，因此研究人員可以通過監(jiān)測(cè)亮度變化來測(cè)量磁場(chǎng)的強(qiáng)度。

另外，當(dāng)這些空位中的電子經(jīng)歷交叉弛豫時(shí)，發(fā)光突然改變，這是一個(gè)激發(fā)的量子系統(tǒng)與處于其基態(tài)的另一個(gè)系統(tǒng)共享能量，使兩者處于中間狀態(tài)的過程。誘導(dǎo)交叉弛豫所需的場(chǎng)強(qiáng)與材料的溫度直接相關(guān)。通過改變場(chǎng)的強(qiáng)度，并在光致發(fā)光突然改變時(shí)進(jìn)行記錄，科學(xué)家們可以計(jì)算出正在研究的晶體區(qū)域的溫度。該團(tuán)隊(duì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，即使在室溫下，量子效應(yīng)仍然存在。

“這項(xiàng)研究使我們能夠在一臺(tái)設(shè)備中創(chuàng)建溫度和磁場(chǎng)傳感器，”俄羅斯科學(xué)院Ioffe物理技術(shù)研究所的Andrey Anisimov說，他是該論文的作者之一。此外，傳感器可以小型化到100納米，這將使它們能夠用于航天工業(yè)，地球物理觀測(cè)甚至生物系統(tǒng)。“與金剛石相比，碳化硅已經(jīng)是一種可用的半導(dǎo)體材料，二極管和晶體管已經(jīng)由它制成，”Anisimov說。