我室杜江峰、王亚与中科院合肥物质科学研究院固体所王宇（现任职德国哥德大学）等人组成的研究团队，在面向高压科学领域的量子精密测量技术上取得重要进展，团队成功突破压力对金刚石量子传感器的限制，研发出可在超过百万大气压（100 GPa）环境下工作，具有高灵敏度（~1μT/√Hz）和亚微米级空间分辨率的磁传感器和原位磁成像技术，并研究揭示了磁铁矿在极端压力下的磁畴演化和磁性转变行为。此项研究成果以“Imaging magnetic transition of magnetite to megabar pressures using quantum sensors in diamond anvil cell”为题发表在《自然通讯》[Nature Communications 15, 8843 (2024)]上。

压力是调控物质状态的最基本热力学手段之一。在极端压力下，物质的电子结构会发生显著变化，从而展现出奇异物理特性。例如，很多材料会呈现高温超导特性，石墨在高压下会转变成钻石，而地球内部磁铁矿等矿物质的磁性发生剧烈变化。高压科学技术极大地拓展了物质科学研究的范畴，对发现和认识新现象、揭示新规律起着至关重要的作用，已成为物理、化学、材料、地质学等多学科领域研究的重要手段。然而，极端压力条件下的原位磁性检测一直是高压科学研究中缺乏的关键技术之一。特别是在超过百万大气压的条件下，原位磁测量技术的缺失使得人们难以理解材料在极端条件下的行为表现。

金刚石氮-空位（NV）色心量子传感器因其可直接集成于产生极端高压条件的金刚石对顶砧（DAC）装置中，且具有高分辨率和高灵敏度的特性，因而有望为高压磁性测量提供解决方案。然而，之前的研究表明，极端压力会显著降低量子传感器的性能，这成为当前亟待解决的关键技术难题。

图 1百万大气压下的金刚石量子传感器研究结果与应用

(a)实验装置示意图（b）NV色心单轴应力下电子能级第一性原理计算（c）极端压力下的NV色心光探测磁共振谱（d）极端压力下磁铁矿的磁畴成像

 在本项研究工作中，研究团队发现非沿轴应力是导致NV色心失去磁探测能力的重要因素。为了解决这一问题，研究人员开发了应力调控传感器，使得传感器中NV色心沿应力方向排列，从而成功克服了极端压力环境对量子传感器性能的限制。最终开发出了一种在百万大气压下仍能保持高灵敏度( ~1μT/√Hz)和亚微米空间分辨率的原位磁成像技术。

利用这一技术，研究团队研究了地幔中常见的磁铁矿从常压到100GPa以上压力范围内的宏观磁性演化过程。研究人员观察到，室温下磁铁矿的磁性随压力的增加，从亚铁磁性逐渐变为弱铁磁性，最终演变为顺磁性。这一发现对于理解在极端压力下，材料的结构相变、自旋转变以及磁序变化等复杂因素共同作用下的宏观磁性演化具有重要意义。

图 2金刚石量子传感器原理与高压下应用示意图

我室研究团队一直致力于高性能金刚石量子传感器的研发与技术应用，近年来，逐步开发出了系列面向微观电磁探测前沿领域的高性能测量器件，包括单自旋扫描传感器[Rev. Sci. Instrum. 92, 055001 (2021)]、单自旋阵列传感器[Sci. Adv. 8, eabn9573 (2022)]、光纤集成传感器[Adv. Quantum Technol. 6, 2300127 (2023)]以及单电荷电场传感器[Nat. Photonics.18, 230–235 (2024)]。本项研究进一步将金刚石量子传感应用范围拓展至高压科学领域，为极端压力下的磁性行为定量分析提供了全新的工具。这一技术突破不仅有助于深入研究磁性材料在高压下的物理性质，还为高温超导材料的磁性研究等提供有力工具，从而促进对材料性能和微观机理的深入理解。

王孟祺特任副研究员、王宇副研究员、博士研究生刘志贤为该论文的共同第一作者，杜江峰院士、王亚教授、王宇副研究员为共同通讯作者。此项研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院和安徽省的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52272-y