在天然与 CVD 金刚石中发现 ST2 受主点

金刚石中新型微小指南针

现代科学常常需要在单个分子或微小磁结构尺度上测量磁场，而我们日常使用的磁体与传感器在尺寸和灵活性上都远不能满足需求。本文报道了一种嵌入金刚石中的新型原子尺度“指南针”——ST2 受主点的发现与详尽研究。它能在室温下工作，且能从几乎任意方向感知强磁场。此类量子传感器未来有望以前所未有的细节描绘新一代芯片、奇异磁性材料乃至生物系统的内部磁学特征。

有意制造特殊缺陷

关键思路是将金刚石规则碳格点中的微小不完美用作灵敏探针。作者最初在一块来源不明的天然金刚石中通过其在特定蓝色光处的尖锐发光以及在磁场中该发光的变化发现了 ST2 受主点。随后他们弄清了如何在实验室生长的金刚石中有意制造这些中心：以精选的能量和剂量用碳离子轰击晶体，然后将金刚石加热到极高温度。通过改变退火温度并缓慢蚀刻薄层，研究者表明 ST2 的数量和深度与入射离子造成的损伤分布相对应。这强烈暗示 ST2 是由位移的碳原子和空位构成的“本征”缺陷，而不掺入外来原子。

光、 自旋与长寿命的隐态

为了解 ST2 的行为，团队使用定制显微镜和极弱激光逐一研究了单个缺陷。每个 ST2 中心都发射单光子，证实其为真正的量子光源。更重要的是，当施加微波和磁场时，其亮度发生变化，这是缺陷内部可控量子“自旋”的标志。数据与一种简单的内部结构相符：两个明亮的吸收与发射态，以及介于其中的暗的、寿命较长的三个态。当中心被强光驱动时，一部分粒子会泄入这个暗的三重态并在其中停留数十微秒——足以被微波操作。通过精确控制光脉冲与微波脉冲的时序，研究者测量了三个暗态的寿命，并观察到粒子在这些态间重排的细微量子效应。

从几乎任意方向感知磁场

ST2 的突出特性是其对磁场的响应方式。作者通过在金刚石周围移动强永磁体，记录单个 ST2 中心的发光随磁场方向变化而变强或变暗的情况。随后他们将这些模式与三能级自旋系统的详细模拟相匹配。分析显示 ST2 在金刚石内共有十二种不同取向，其内部轴线与晶体的成键方向对齐。关键在于，构成传感基础的微波响应——即光学检测磁共振（ODMR）——在典型实验室场强下对几乎所有场向都保持强烈。这与广泛使用的氮空位（NV）中心形成鲜明对比：NV 的灵敏度在磁场偏离其对称轴过远时会崩溃。

这种缺陷还能感知什么？

鉴于其它金刚石缺陷也能感知温度与电场，团队探讨了 ST2 在这些方面的表现。他们发现将温度在约 40 至 60 摄氏度之间变化，会使 ST2 的关键微波频率以平滑、可预测的方式发生偏移，但这一温度敏感性不及 NV 中心。这意味着在需要时 ST2 可作为局部温度计，但当温度是主要信号时并非最佳选择。另一方面，即便施加非常强的电场也未产生可检测变化，这契合 ST2 具有某种对称性，从而抵消永久电偶极矩的观点。这使 ST2 在电场传感方面用途受限，但也降低了其受不期望电噪声影响的脆弱性。

对未来量子工具的重要性

总体而言，ST2 作为纳米尺度磁传感的新型稳健构件脱颖而出。尽管当前制备这些缺陷的方法产率较低且限制了器件中可集成的密度，单个 ST2 中心已在强场且任意方向下表现出与其他有前景缺陷相当的磁灵敏度。这使它们成为 NV 中心的理想互补：NV 在探测极弱磁场时表现出色，而 ST2 则在磁场更强且方向更随意时占优。如果能找到更高效制备 ST2 的方法，并把它们集成到工程化的金刚石探针端或微结构中，ST2 有望驱动紧凑型量子探针，揭示先进材料与器件的详细磁学格局。

引用: Foglszinger, J., Denisenko, A., Astakhov, G.V. et al. Discovery of ST2 centers in natural and CVD diamond. npj Quantum Inf 12, 42 (2026). https://doi.org/10.1038/s41534-025-01116-8

关键词: 金刚石缺陷, 量子传感, 磁力计, 自旋中心, 固态量子比特