香港中文大学(中大)物理系副教授吴瑞权教授与助理教授杨森教授的研究团队携手合作,以纳米金刚石(钻石)中的色心(color centre)来研究量子材料在极端条件下的特性。由于色心对磁场非常敏感,即使在低温(约摄氏零下266度,接近绝对零度)和高压(约数万倍大气压力)的情况下,亦能够量度超导体的磁场特性。这项崭新技术为研究量子材料提供了新的渠道。研究成果已刊登于国际著名学术期刊《科学》,同期另有两篇相关研究由巴黎撒克里大学和加州大学柏克莱分校发表(注)。

中大研究团队:(后排左起)杨森、吴瑞权、何健安、张威、陈旸;(前排左起)叶景佑及余经燿。

加压是研究量子材料的有效手段

近年,量子材料的特性和应用成为科研界一项重要研究方向。量子材料在低温下通常会表现出一些奇特的性质,例如变成超导体。超导体会呈现零电阻的特性,意味传输过程不会有能量损耗;还会对磁场产生排斥作用,此现象称为迈斯纳效应。这些现象只会在接近绝对零度的低温下发生,因此科学家一直在寻求提高超导材料的临界温度。如果能找到一种可以在人类活动的温度中应用的超导体,必将为不同产业带来革命般的变化,相关应用包括超导输电线路、MRI磁力共振成像,以及磁浮列车等。

将超导材料置于低温及高压的环境下,可改变以至调校其电子间的相互作用,令材料的超导现象产生变化。例如,是次研究使用的一系列样本BaFe2(As,P)2,利用高压可调整超导转变温度范围超过30度。而透过探测材料的磁场变化,研究人员可找到低温及高压对量子材料的影响,从而为超导体研究带来突破。然而,在高压下测量量子材料的特性表征极具挑战,尤其在磁性测量方面,传统的电路难以在高压环境下运作。因此,吴瑞权教授与杨森教授携手合作,以吴教授在低温高压研究的丰富经验,合以杨教授在量子测量和量子光学的专长,共同解决此难题。

实验配置和检测概念的示意图。 (A)压力传感器设计的分解图。 样本(蓝色)与钻石微粒一起放置在高压腔中。 每个钻石微粒都是一个敏感的局域场传感器。 (B)(左)样本带有微线圈的照片。 (右)微线圈和NV中心的萤光图像。 (C和D)在弱磁场下样品周围的磁场分布。(D)超导时产生抗磁性作用驱逐磁场。

量子材料研究与量子信息科学之耦合

色心是钻石最常见的晶体缺陷,会令钻石呈现不同的颜色。在量子研究中,钻石中的色心是极有效的量子测量器,可望在将来众多的量子科技占一重要席位。当中,氮空位中心(即钻石中心相邻的两个碳原子换成一个氮原子和一个空位,简称NV中心)对电场、磁场、机械力及温度均非常敏感,当负电荷状态下的NV中心暴露于不同频率的微波中,可通过NV中心发出的光线强度测量磁场的变化。中大研究员利用NV中心作为量子传感器,研究超导材料在不同压力和不同温度下的物理特性,精确测量超导态下迈斯纳效应的局域磁场分布及临界场。中大团队从而证实钻石量子传感器可在低温及高压的极端条件之下进行磁性检测和微观成像,为高压物理及量子材料研究提供了全新的研究方法。

材料在超导时会产生迈斯纳效应,排斥所有外部磁场。研究人员将超导材料放入高压腔,洒上钻石微粒(约1微米),然后进行加压及降温将样本变成超导体,利用NV中心的特性将超导体附近的磁场精确地测量出来。

吴瑞权教授解释︰「我们在这次研究将钻石微粒放在超导体周围来测量磁场方向变化,让我们能够在高压的环境下直接观察迈斯纳效应。这个方法将促使高压超导的研究达到一个更高的水平。」

杨森教授补充:「NV中心除了能够测量磁场外,亦能测量电场及机械力。所以,这项技术可以用来研究材料的不同特性。最终,我们期望这项技术会革新量子材料的设计,并且能得到广泛应用。这项崭新的测量技术亦能够提升香港计量学和高精度测量界的水平。」

在极端条件下测量量子材料特性的实验装置。

关于研究团队

吴瑞权教授的团队主要研究强关联电子系统在极端环境下的特性,如在高压、高磁场和低温等环境下来研究该系统的结构、磁性和电子输运机制。其实验室具备先进的氦稀释冷冻机和强大的磁铁,能够将研究材料降温至低于10毫凯氏度(mK)并施加可达14T的磁场。这使团队能够测量出单个晶体的量子振动和费米面。

杨森教授的团队主要研究固态系统中的量子信息科学及科技,包括量子计算、量子通讯和量子测量。其团队利用NV中心的特性来作不同用途,包括快速操纵并精确读取自旋态、制作量子缓存器作量子信息处理之用、建立光量子网络和测量量子材料的超导和磁特性。

是次发表在《科学》的论文也包括五位中大物理系研究生:叶景佑、何健安、余经耀、陈旸,以及张威。其中前三位是共同第一作者。值得一提的是,这三位第一作者都在中大完成本科和硕士学位。是次研究使用的高质量单晶体BaFe2(As,P)2由京都大学和东京大学的团队提供。研究的香港部分由中大和大学教育资助委员会资助。