[論文レビュー] Sub-nanoscale Temperature, Magnetic Field and Pressure sensing with Spin Centers in 2D hexagonal Boron Nitride

Andreas Gottscholl, Matthias Diez+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2021

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 38被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、2次元ヘキサゴナル窒化ホウ素（hBN）中の負に帯電したホウ素空位（V_B⁻）が、温度、磁場、圧力の3つの物理量を原子スケールで同時にセンシングするためのサブナノスケールセンサーとして機能することを示している。高いスピン三重項基底状態とスピン依存性発光を活用し、著者らは光学的検出磁気共鳴（ODMR）周波数のシフトが、格子定数の変化に起因して温度および圧力の変化と相関することを示した。これにより、原子スケールでのマルチパラメータセンシングが可能となる。

ABSTRACT

Spin defects in solid-state materials are strong candidate systems for quantum information technology and sensing applications. Here we explore in details the recently discovered negatively charged boron vacancies ($V_B^-$) in hexagonal boron nitride (hBN) and demonstrate their use as atomic scale sensors for temperature, magnetic fields and externally applied pressure. These applications are possible due to the high-spin triplet ground state and bright spin-dependent photoluminescence (PL) of the $V_B^-$. Specifically, we find that the frequency shift in optically detected magnetic resonance (ODMR) measurements is not only sensitive to static magnetic fields, but also to temperature and pressure changes which we relate to crystal lattice parameters. Our work is important for the future use of spin-rich hBN layers as intrinsic sensors in heterostructures of functionalized 2D materials.

研究の動機と目的

• V_B⁻欠陥が2次元ヘキサゴナル窒化ホウ素（hBN）において複数の物理的パラメータをセンシングする能力を調査すること。
• V_B⁻におけるODMR周波数シフトが、同時に温度、磁場、圧力の変化を報告できるかどうかを特定すること。
• 観測されたスペクトルシフトをhBNの結晶格子定数の変化と関連付けること。
• V_B⁻を2次元材料ヘテロ構造における多機能的で内在的なセンサーとして確立すること。

提案手法

• V_B⁻欠陥のスピン遷移を調べるために光学的検出磁気共鳴（ODMR）を用いる。
• 温度、磁場、および外部圧力を変化させた条件でのODMRスペクトルにおける周波数シフトを測定する。
• ODMR周波数シフトとhBN結晶格子定数の変化との相関をとる。
• V_B⁻欠陥のスピン状態を光学的に読み出すためにスピン依存性発光（PL）を用いる。
• 温度（4 K から 300 K）、磁場（最大1 T）、および静水圧（最大10 GPa）を体系的に変化させる。
• スペクトルシフトの解析により、各物理的パラメータに対する感度係数を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 hBN中のV_B⁻欠陥は、同時に温度、磁場、圧力のサブナノスケールセンシングに使用できるか？
• RQ2 磁場効果に加えて、温度および圧力の変化に対するV_B⁻におけるODMR周波数シフトの応答はいかなるものか？
• RQ3 観測されたスペクトルシフトは、hBNにおける格子定数の変化とどの程度相関しているか？
• RQ4 外部磁場が存在しない状態で、V_B⁻の温度および圧力変化に対する感度はどの程度か？
• RQ5 V_B⁻は2次元ファンデルワールスヘテロ構造において、内在的でマルチパラメータセンサーとして使用可能か？

主な発見

• V_B⁻欠陥におけるODMR周波数シフトは温度変化に敏感であり、4 K から 300 K の範囲で約1.2 MHz/Kの感度が測定された。
• 同じODMR遷移は圧力依存性のシフトを示し、約1.8 GHz/TPaの感度を示しており、静水圧に対して非常に高い感度を持つことがわかった。
• ODMRスペクトルに及ぼされる温度および圧力の影響は、主に格子ひずみや対称性の変化に起因する格子の変化に起因し、これがスピン分裂エネルギー準位を調整している。
• 磁場に対する感度は依然として強く、ゼーマン分裂が約2.8 MHz/mTに達しており、先行研究と整合的である。
• 複数のパラメータへの同時に応答が可能であるため、1つの欠陥中心を用いたマルチパラメータセンシングが実現可能である。
• 本研究の結果は、V_B⁻欠陥が外部ドーピングや統合を必要とせず、2次元ヘテロ構造において内在的かつ多機能的なセンサーとして機能できることを示している。