用超薄范德瓦耳斯量子传感器探测顺磁自旋

探测来自少量顺磁自旋的磁噪声是化学、生物化学和医学分析的一项强大能力。基于块体半导体中光可寻址自旋缺陷的量子传感器通常用于此类目的，但传感器的三维晶体结构通过限制缺陷与目标自旋的接近程度而抑制了灵敏度。在此，我们展示了利用六方氮化硼 (hBN) 中承载的自旋缺陷探测顺磁自旋，hBN 是一种可剥离至二维体系的范德瓦耳斯材料。我们首先在超薄 hBN 纳米片粉末（平均厚度 $<10$~原子单层）中创建带负电的硼空位 (V$_{\rm B}^-$) 缺陷，并测量该系统的纵向自旋弛豫时间 ($T_1$)。然后我们用顺磁 Gd$^{3+}$ 离子修饰干燥 hBN 纳米粉末，并在环境条件下观察到清晰的 $T_1$ 猝灭，与增加的磁噪声一致。最后，我们展示了使用溶液悬浮 hBN 纳米粉末进行包括 $T_1$ 弛豫测量在内的自旋测量的可能性。我们的结果突出了 hBN 量子传感器在一系列传感应用中的潜力与多功能性，并为真正实现二维、超高灵敏度量子传感器铺平了道路。