極限環境に耐える新型量子センサーを開発(New quantum sensors can withstand extreme pressure)

2025-09-12 ワシントン大学セントルイス校

ワシントン大学セントルイス校の研究チームは、結晶化ホウ素窒化物の極薄シートに欠陥を導入し、超高圧下でも壊れない量子センサーを開発した。このセンサーは大気圧の3万倍以上の圧力環境で、応力や磁場を高精度に測定できる。従来のダイヤモンド中の欠陥を利用した量子センサーは三次元構造のため試料との距離が遠くなる難点があったが、ホウ素窒化物は100ナノメートル以下の二次元材料で、試料との距離をナノメートル以下に縮められる。実験では二次元磁石の微小な磁場変化を検出することに成功。今後は地球深部の岩石試料の応答解析による地震研究や、超伝導体の特性解明への応用が期待される。成果は Nature Communications に掲載され、量子技術・材料科学・地球科学に新たな展望を開く。

<関連情報>

二次元量子センサーによる高圧下での応力・磁性の探査 Probing stress and magnetism at high pressures with two-dimensional quantum sensors

Guanghui He,Ruotian Gong,Zhipan Wang,Zhongyuan Liu,Jeonghoon Hong,Tongxie Zhang,Ariana L. Riofrio,Zackary Rehfuss,Mingfeng Chen,Changyu Yao,Thomas Poirier,Bingtian Ye,Xi Wang,Sheng Ran,James H. Edgar,Shixiong Zhang,Norman Y. Yao & Chong Zu
Nature Communications  Published:01 September 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-63535-7

極限環境に耐える新型量子センサーを開発(New quantum sensors can withstand extreme pressure)

Abstract

Pressure serves as a fundamental tuning parameter capable of drastically modifying all properties of matter. The advent of diamond anvil cells (DACs) has enabled a compact and tabletop platform for generating extreme pressure conditions in laboratory settings. However, the limited spatial dimensions and ultrahigh pressures within these environments present significant challenges for conventional spectroscopy techniques. In this work, we integrate optical spin defects within a thin layer of two-dimensional (2D) materials directly into the high-pressure chamber, enabling an in situ quantum sensing platform for mapping local stress and magnetic environments up to 3.5 GPa. Compared to nitrogen-vacancy (NV) centers embedded in diamond anvils, our 2D sensors exhibit around three times stronger response to local stress and provide nanoscale proximity to the target sample in heterogeneous devices. We showcase the versatility of our approach by imaging both stress gradients within the high-pressure chamber and a pressure-driven magnetic phase transition in a room-temperature self-intercalated van der Waals ferromagnet, Cr1+δTe2. Our work demonstrates an integrated quantum sensing device for high-pressure experiments, offering potential applications in probing pressure-induced phenomena such as superconductivity, magnetism, and mechanical deformation.

0403電子応用
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