長期以來，金剛石一直是量子傳感領域的佼佼者，這得益於它的相干氮空穴中心、可調自旋、磁場靈敏度以及在室溫下工作的能力。有了這樣一種易於製造和擴展的合適材料，人們對探索金剛石的替代品興趣不大。

然而，這種量子領域的巨無霸卻有一個弱點。它實在是太大了，鑽石在研究量子傳感器和數據處理時也存在不足。當鑽石變得太小時，其聞名遐邇的超穩定缺陷就會開始崩潰，不僅如此，體積上還有一個極限，在這個極限上，鑽石會變得毫無用處。

六方氮化硼可以解決這一問題。

作為量子傳感器和量子信息處理平台，六方氮化硼以前一直被忽視。最近，人們發現了一些新的缺陷，它們正逐漸成為金剛石氮空位中心的有力競爭者，從而改變了這一現狀。其中，硼空位中心（hBN 晶格中的一個缺失原子）是迄今為止最有前途的缺陷。

TMOS 用於研究六方氮化硼中硼空位缺陷的實驗裝置。資料來源：TMOS，ARC 變革性元光學系統卓越中心

然而，它可以以各種電荷狀態存在，只有-1電荷狀態適合基於自旋的應用。到目前為止，其他電荷狀態的探測和研究還很困難。這是一個問題，因為電荷狀態會閃爍，在-1和0狀態之間切換，使其不穩定，尤其是在量子設備和傳感器的典型環境類型中。

但正如發表在《納米快報》（Nano Letters）上的一篇論文所概述的那樣，ARC 變革性元光學系統卓越中心（TMOS）的研究人員開發出了一種穩定-1 狀態的方法，以及一種利用光激發和電子束同時照射來研究六方氮化硼缺陷電荷狀態的新實驗方法。

主要作者Angus Gale 和Dominic Scognamiglio 在他們的研究實驗室。圖片來源：TMOS、ARC 變革性元光學系統卓越中心

共同第一作者安格斯-蓋爾（Angus Gale）說：”這項研究表明，六方氮化硼有可能取代金剛石，成為量子傳感和量子信息處理的首選材料，因為我們可以穩定支撐這些應用的原子缺陷，從而產生二維六方氮化硼層，將其集成到金剛石無法集成的設備中。

共同第一作者Dominic Scognamiglio 說：”我們已經對這種材料進行了表徵，並發現了其獨特且非常酷的特性，但對hBN 的研究還處於早期階段。目前還沒有其他關於硼空位的電荷狀態切換、操縱或穩定性的出版物，這就是為什麼我們要邁出第一步，填補這一文獻空白，更好地了解這種材料。”

首席研究員米洛斯-托特（Milos Toth）說：”這項研究的下一階段將側重於泵探測量，這將使我們能夠優化hBN 中的缺陷，以便應用於傳感和集成量子光子學。 “

量子傳感是一個快速發展的領域。與傳統傳感器相比，量子傳感器具有更高的靈敏度和空間分辨率。在量子傳感的眾多應用中，對於工業4.0 和設備的進一步微型化而言，最關鍵的應用之一是精確感測微電子設備中的溫度以及電場和磁場。能夠感知這些因素是控制它們的關鍵。目前，熱管理是限制進一步提高微型設備性能的因素之一。納米級精確量子傳感將有助於防止微芯片過熱，提高性能和可靠性。

量子傳感在醫療技術領域也有重要應用，其探測磁性納米粒子和分子的能力有朝一日可用作搜索癌細胞的注射診斷工具，或監測細胞內的新陳代謝過程，以跟踪醫學治療的影響。

為了研究六方氮化硼中的硼空位缺陷，TMOS 團隊創建了一種新的實驗裝置，將共聚焦光致發光顯微鏡與掃描電子顯微鏡（SEM）集成在一起。這使他們能夠在測量缺陷的同時，用電子束和電子微電路同時操縱硼空位缺陷的電荷狀態。

蓋爾說：”這種方法的新穎之處在於，它使我們能夠將激光聚焦到六方氮化硼中的單個缺陷上並對其進行成像，同時利用電子電路和電子束對其進行操縱。對顯微鏡的這種改裝是獨一無二的；它非常有用，大大簡化了我們的工作流程。”