中大新聞中心

香港中文大學（中大）物理系副教授吳瑞權教授與助理教授楊森教授的研究團隊攜手合作，以納米金剛石（鑽石）中的色心（color centre）來研究量子材料在極端條件下的特性。由於色心對磁場非常敏感，即使在低溫（約攝氏零下266度，接近絕對零度）和高壓（約數萬倍大氣壓力）的情況下，亦能夠量度超導體的磁場特性。這項嶄新技術為研究量子材料提供了新的渠道。研究成果已刊登於國際著名學術期刊《科學》，同期另有兩篇相關研究由巴黎薩克萊大學和加州大學柏克萊分校發表（註）。

加壓是研究量子材料的有效手段

近年，量子材料的特性和應用成為科研界一項重要研究方向。量子材料在低溫下通常會表現出一些奇特的性質，例如變成超導體。超導體會呈現零電阻的特性，意味傳輸過程不會有能量損耗；還會對磁場產生排斥作用，此現象稱為邁斯納效應。這些現象只會在接近絕對零度的低溫下發生，因此科學家一直在尋求提高超導材料的臨界溫度。如果能找到一種可以在人類活動的溫度中應用的超導體，必將為不同產業帶來革命般的變化，相關應用包括超導輸電線路、MRI磁力共振成像，以及磁浮列車等。

將超導材料置於低溫及高壓的環境下，可改變以至調校其電子間的相互作用，令材料的超導現象產生變化。例如，是次研究使用的一系列樣本BaFe₂(As,P)₂，利用高壓可調整超導轉變溫度範圍超過30度。而透過探測材料的磁場變化，研究人員可找到低溫及高壓對量子材料的影響，從而為超導體研究帶來突破。然而，在高壓下測量量子材料的特性表徵極具挑戰，尤其在磁性測量方面，傳統的電路難以在高壓環境下運作。因此，吳瑞權教授與楊森教授攜手合作，以吳教授在低溫高壓研究的豐富經驗，合以楊教授在量子測量和量子光學的專長，共同解決此難題。

量子材料研究與量子信息科學之耦合

色心是鑽石最常見的晶體缺陷，會令鑽石呈現不同的顏色。在量子研究中，鑽石中的色心是極有效的量子測量器，可望在將來眾多的量子科技佔一重要席位。當中，氮空位中心（即鑽石中心相鄰的兩個碳原子換成一個氮原子和一個空位，簡稱NV中心）對電場、磁場、機械力及溫度均非常敏感，當負電荷狀態下的NV中心暴露於不同頻率的微波中，可通過NV中心發出的光線強度測量磁場的變化。中大研究員利用NV中心作為量子傳感器，研究超導材料在不同壓力和不同溫度下的物理特性，精確測量超導態下邁斯納效應的局域磁場分布及臨界場。中大團隊從而證實鑽石量子傳感器可在低溫及高壓的極端條件之下進行磁性檢測和微觀成像，為高壓物理及量子材料研究提供了全新的研究方法。

材料在超導時會產生邁斯納效應，排斥所有外部磁場。研究人員將超導材料放入高壓腔，灑上鑽石微粒（約1微米），然後進行加壓及降溫將樣本變成超導體，利用NV中心的特性將超導體附近的磁場精確地測量出來。

吳瑞權教授解釋︰「我們在這次研究將鑽石微粒放在超導體周圍來測量磁場方向變化，讓我們能夠在高壓的環境下直接觀察邁斯納效應。這個方法將促使高壓超導的研究達到一個更高的水平。」

楊森教授補充：「NV中心除了能夠測量磁場外，亦能測量電場及機械力。所以，這項技術可以用來研究材料的不同特性。最終，我們期望這項技術會革新量子材料的設計，並且能得到廣泛應用。這項嶄新的測量技術亦能夠提升香港計量學和高精度測量界的水平。」

關於研究團隊

吳瑞權教授的團隊主要研究強關聯電子系統在極端環境下的特性，如在高壓、高磁場和低溫等環境下來研究該系統的結構、磁性和電子輸運機制。其實驗室具備先進的氦稀釋冷凍機和強大的磁鐵，能夠將研究材料降溫至低於10毫凱氏度（mK）並施加可達14T的磁場。這使團隊能夠測量出單個晶體的量子振動和費米面。

楊森教授的團隊主要研究固態系統中的量子信息科學及科技，包括量子計算、量子通訊和量子測量。其團隊利用NV中心的特性來作不同用途，包括快速操縱並精確讀取自旋態、製作量子暫存器作量子信息處理之用、建立光量子網絡和測量量子材料的超導和磁特性。

是次發表在《科學》的論文也包括五位中大物理系研究生：葉景佑、何健安、余經燿、陳暘，以及張威。其中前三位是共同第一作者。值得一提的是，這三位第一作者都在中大完成本科和碩士學位。是次研究使用的高品質單晶體BaFe₂(As,P)₂由京都大學和東京大學的團隊提供。研究的香港部分由中大和大學教育資助委員會資助。

註：《科學》於2019年12月13日刊登的三篇同類文章：
中大：https://www.doi.org/10.1126/science.aaw4278
巴黎薩克萊大學：https://www.doi.org/10.1126/science.aaw4329
加州大學柏克萊分校：https://www.doi.org/10.1126/science.aaw4352