يمكن لأجهزة الاستشعار الكمومية القائمة على عيوب مجهرية في التركيب البلوري للماس أن تعمل في ضغوط تصل إلى 140 جيجا باسكال ، وفقًا لبحث أجراه علماء الفيزياء في الأكاديمية الصينية للعلوم في بكين. يضع هذا الاكتشاف رقماً قياسياً لضغط تشغيل أجهزة الاستشعار الكمومية بناءً على ما يسمى بمراكز شغور النيتروجين (NV) ، ويمكن أن تفيد متانتها المكتشفة حديثًا الدراسات في فيزياء المواد المكثفة والجيوفيزياء.
تحدث مراكز NV عندما يتم استبدال ذرتين متجاورتين من الكربون في الماس بذرة نيتروجين وموقع شبكي فارغ. إنها تعمل مثل مغناطيسات كمومية صغيرة ذات دوران مختلف ، وعندما تكون متحمسًا بنبضات الليزر ، يمكن استخدام إشارة الفلورسنت التي تنبعث منها لمراقبة التغيرات الطفيفة في الخصائص المغناطيسية لعينة قريبة من المادة. هذا لأن شدة إشارة مركز NV المنبعثة تتغير مع المجال المغناطيسي المحلي.
المشكلة هي أن هذه المستشعرات هشة ولا تعمل في ظروف قاسية. هذا يجعل من الصعب استخدامها لدراسة باطن الأرض ، حيث تسود ضغوط جيجا باسكال (GPa) ، أو لفحص مواد مثل موصلات الهيدريد الفائقة ، والتي يتم تصنيعها تحت ضغوط عالية جدًا.
الرنين المغناطيسي المكتشف بصريا
في العمل الجديد فريق بقيادة جانج تشين ليو ل مركز بكين الوطني لبحوث فيزياء المواد المكثفة و معهد الفيزياء بالأكاديمية الصينية للعلوم، بدأ بإنشاء غرفة مجهرية عالية الضغط تُعرف باسم خلية سندان الماس لوضع أجهزة الاستشعار فيها ، والتي تتكون من الماسات الدقيقة التي تحتوي على مجموعة من مراكز NV. تعمل المستشعرات من هذا النوع بفضل تقنية تسمى الرنين المغناطيسي المكتشف بصريًا (ODMR) حيث يتم تحفيز العينة أولاً باستخدام الليزر (في هذه الحالة بطول موجة يبلغ 532 نانومتر) ثم معالجتها عبر نبضات الميكروويف. طبق الباحثون نبضات الميكروويف باستخدام سلك بلاتيني رقيق ، وهو قوي في مواجهة الضغوط العالية. الخطوة الأخيرة هي قياس التألق المنبعث.
يوضح ليو: "في تجربتنا ، قمنا أولاً بقياس التلألؤ الضوئي لمراكز NV تحت ضغوط مختلفة". "لاحظنا توهجًا عند ما يقرب من 100 جيجا باسكال ، وهي نتيجة غير متوقعة دفعتنا إلى إجراء قياسات ODMR لاحقة."
مجموعة كبيرة من مراكز NV في مكان واحد
بينما كانت النتيجة مفاجئة ، يلاحظ ليو أن الشبكة الماسية مستقرة جدًا ولا تمر بمرحلة انتقالية ، حتى عند ضغوط تبلغ 100 جيجا باسكال (1 ميغا بار ، أو ما يقرب من مليون ضعف الضغط الجوي للأرض عند مستوى سطح البحر). وبينما تقوم مثل هذه الضغوط العالية بتعديل مستويات الطاقة والخصائص الضوئية لمراكز NV ، فإن معدل التعديل يتباطأ عند الضغوط العالية ، مما يسمح للفلورة بالاستمرار. ومع ذلك ، يقول عالم الفيزياء لم يكن الحصول على أطياف ODMR عند ضغوط Mbar "مهمة سهلة".
يقول: "هناك العديد من التحديات التقنية التي يتعين علينا التغلب عليها". "أحدها على وجه الخصوص هو أن الضغوط العالية تقلل إشارة التألق NV وتجلب مزيدًا من التألق في الخلفية."
تغلب الباحثون على هذه المشكلات باستخدام مجموعة كبيرة من مراكز NV (~ 5 × 105 في الماس الجزئي واحد) وتحسين كفاءة جمع الضوء لنظامهم التجريبي. لكن مخاوفهم لم تنته عند هذا الحد. لقد احتاجوا أيضًا إلى تجنب تدرج ضغط كبير فوق المستشعر ، لأن أي عدم تجانس في توزيع الضغط من شأنه أن يوسع أطياف OMDR ويقلل من تباين الإشارة.
"لمواجهة هذا التحدي ، اخترنا بروميد البوتاسيوم (KBr) كوسيط ضغط وحصرنا حجم الكشف في حوالي 1 ميكرون3"، يقول ليو. "لقد تمكنا من الحصول على ODMR لمراكز NV عند 140 GPa تقريبًا باستخدام هذا النهج."
ويضيف أن الضغط الأقصى قد يكون أعلى من ذلك ، لأن التعديلات التي يسببها الضغط لمستويات الطاقة في مراكز NV تبين أنها أصغر مما كان متوقعًا. يقول ليو: "التحدي الرئيسي لتحقيق هذا الهدف هو إنتاج ضغوط عالية مع تدرج ضغط صغير أو بدون تدرج ضغط". "قد يكون هذا ممكنًا باستخدام الغاز الخامل كوسيط لنقل الضغط."
يستخدم مستشعر تدرج الجاذبية الكمي في الهواء الطلق للعثور على النفق
وفقًا لليو وزملائه ، تُظهر هذه التجارب أنه يمكن استخدام مراكز NV فى الموقع أجهزة الاستشعار الكمومية لدراسة الخصائص المغناطيسية للمواد عند ضغوط Mbar. قد يكون أحد الأمثلة هو فحص تأثير Meissner (استبعاد المجال المغناطيسي) في LaH10 ، وهو موصل فائق عالي الحرارة لا يمكن تصنيعه إلا عند ضغوط أعلى من 160 جيجا باسكال.
يخطط الباحثون الآن لتحسين مستشعراتهم وتحديد حد الضغط العالي. كما يأملون في تحسين حساسيتهم المغناطيسية (عن طريق تحسين كفاءة جمع التألق) وتطوير أنظمة استشعار متعددة الوسائط - على سبيل المثال ، قياس درجة الحرارة والمجال المغناطيسي في وقت واحد.
هم بالتفصيل دراستهم الحالية في رسائل الفيزياء الصينية.
