磁场强度和温度之间的联系

研究人员最近发现，引发特定量子力学过程所需的磁场强度，例如光致发光和用电磁(EM)场控制自旋状态的能力，对应于材料的温度。基于这一发现，科学家们可以通过测量这种效应发生的场强来确定样品的温度，分辨率为1立方微米。温度传感在大多数工业，电子和化学过程中都是不可或缺的，因此更大的空间分辨率可能有利于商业和科学的追求。该团队在AIP Publishing的AIP Advances上报告了他们的发现。

在钻石中，氮原子可以取代碳原子; 当这种情况发生在晶格中的空位旁边时，它会产生有用的量子特性。这些职位空缺可能会产生负面或中性。带负电的空位中心也是光致发光的，并且当暴露于某些波长的光时会产生可检测的发光。研究人员可以利用磁场来控制空位中电子的自旋，这会改变光致发光的强度。

俄罗斯和德国研究人员组成的团队创建了一个能够以非常小的分辨率测量温度和磁场的系统。科学家们制作了碳化硅晶体，其空位与钻石中的氮空位中心相似。然后，它们在存在恒定磁场的情况下将碳化硅暴露于红外激光并记录所得的光致发光。

更强的磁场使这些空位中的电子更容易在能量自旋状态之间转移。在特定的场强下，在称为反交叉的过程中，具有自旋3/2的电子的比例快速变化。光致发光的亮度取决于各种自旋状态下电子的比例，因此研究人员可以通过监测亮度变化来测量磁场的强度。

另外，当这些空位中的电子经历交叉弛豫时，发光突然改变，这是一个激发的量子系统与处于其基态的另一个系统共享能量，使两者处于中间状态的过程。诱导交叉弛豫所需的场强与材料的温度直接相关。通过改变场的强度，并在光致发光突然改变时进行记录，科学家们可以计算出正在研究的晶体区域的温度。该团队惊讶地发现，即使在室温下，量子效应仍然存在。

“这项研究使我们能够在一台设备中创建温度和磁场传感器，”俄罗斯科学院Ioffe物理技术研究所的Andrey Anisimov说，他是该论文的作者之一。此外，传感器可以小型化到100纳米，这将使它们能够用于航天工业，地球物理观测甚至生物系统。“与金刚石相比，碳化硅已经是一种可用的半导体材料，二极管和晶体管已经由它制成，”Anisimov说。