通过单自旋弛豫测量探测hBN中的硼空位缺陷

倾听微弱的磁性低语

随着电子器件和量子技术向原子尺度缩小，材料中的微小缺陷不再只是小毛病，而开始成为强大的工具。这项研究展示了如何用金刚石中的单个原子级传感器“倾听”超薄材料中隐匿缺陷的磁性低语，揭示它们的位置和行为——且无需让这些缺陷发光即可探测。该工作为表征那些对传统显微镜而言过于微弱或过小的“量子就绪”缺陷开辟了新路径。

一种新型的原子级听诊器

许多有前途的量子技术依赖于微小自旋——与单个电子或原子核相关的微弱磁体——它们能够在纳米尺度感知磁场、温度、应变或电场。其中研究最为深入的是金刚石中的氮-空位（NV）中心，这是一种点缺陷，其量子态可在室温下通过激光和微波进行控制和读出。但埋在金刚石表面几十纳米深处的NV中心与我们想要探测的对象相对较远，且金刚石的光学特性使得收集其发射光变得困难。因此，研究者转向原子级薄的材料，在这些材料中自旋缺陷位于表面附近，可直接与周围环境相互作用。

为何超薄晶体中的硼空位重要

六方氮化硼（hBN）是一种二维材料——本质上由原子级薄层堆叠而成——它独特地可寄主光学活性的自旋缺陷。其中一个重要的缺陷是硼空位：缺失的硼原子使晶格中的某个位置变为可控的量子磁体。这些空位有望作为芯片表面或未来器件内部的量子传感器。然而，现有工具难以显示这些有自旋活性的空位位于何处、处于何种电荷态以及其密度如何。光学方法难以区分有用的带负电的活性空位与中性空位，而且分辨率常模糊在半微米或更大，洗掉了对量子性能关键的纳米尺度细节。

通过弛豫间接读取自旋

作者通过用一种量子缺陷探测另一种来解决这个问题。他们将一个含单个NV中心的金刚石尖端装在扫描探针上，置于充满硼空位的hBN样品上方约十纳米处。他们不直接照射hBN缺陷，而是监测NV中心自身自旋的弛豫——即它忘记被制备态的速度。通过调整外加磁场，他们将NV的共振频率调到与硼空位匹配。在这些“交叉弛豫”条件下，磁相互作用使NV与附近空位之间发生能量交换，缩短其弛豫时间，这种变化取决于下面有多少活性缺陷。

在纳米尺度上放大结构与电荷信息

利用这种方法，团队进行了若干关键测量。在经过同位素工程的hBN中——核成分被精确控制——他们解析出空位共振的精细劈裂，这是附近核自旋影响磁性行为和传感能力的指纹。通过在不同厚度生长的六方氮化硼上扫描NV探针，他们将NV弛豫的变化转化为定量的缺陷密度图，像素约为100纳米，并具有潜在的10纳米分辨率。与模拟比较表明，只有很小的一部分——约几个百分比——的总硼空位处于带负电的、具有自旋活性的状态，可作为量子传感器。这种电荷选择性是标准光学或结构探测方法难以轻易提供的。

优于传统光学读出的优势

弛豫测量方法在实践和概念上都有优势。它不依赖于收集来自硼空位本身的微弱光，这些光通常在标准探测器效率低且对比度弱的波长处发射。相反，NV中心明亮且性质已被充分理解的荧光充当了通用的读出通道。理论上，同一个NV传感器可以通过调整磁场直到发生交叉弛豫来探测多种自旋缺陷——包括光学上暗的缺陷或在电信波段发射的缺陷。尽管构建完整的弛豫曲线比简单的连续波光学测量耗时更长，但更高的对比度和可同时使用多个NV中心的可能性有助于抵消这一时间成本。

这对未来量子器件意味着什么

通俗来说，研究者已将金刚石中的单个原子级缺陷变成一种扫描探针，能够感知邻近超薄晶体中具量子能力缺陷的存在和密度，即便这些缺陷过于微弱或复杂无法用光直接观测。“通过弛豫来倾听”技术为在不同材料中发现、表征并最终工程化新型量子缺陷提供了一种标准化、非侵入性的手段。超越简单成像，这一方法可促成混合量子架构：一种材料在靠近环境处承载灵敏自旋，另一种材料（如金刚石）负责稳健的读出与控制，将各自优势结合用于未来的量子传感器和器件。

引用: Melendez, A.L., Gong, R., He, G. et al. Probing boron vacancy defects in hBN via single spin relaxometry. Nat Commun 17, 3718 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70545-6

关键词: 量子传感, 氮-空位中心, 六方氮化硼, 自旋缺陷, 纳米尺度成像