কোয়ান্টাম সেন্সর রেকর্ড-উচ্চ চাপে বেঁচে থাকে

বেইজিংয়ের চাইনিজ একাডেমি অফ সায়েন্সেসের পদার্থবিদদের গবেষণা অনুসারে হীরার স্ফটিক কাঠামোর মাইক্রোস্কোপিক ত্রুটিগুলির উপর ভিত্তি করে কোয়ান্টাম সেন্সরগুলি 140 গিগাপাস্কেলের মতো উচ্চ চাপে কাজ করতে পারে। অনুসন্ধান তথাকথিত নাইট্রোজেন ভ্যাকেন্সি (NV) কেন্দ্রের উপর ভিত্তি করে কোয়ান্টাম সেন্সরগুলির অপারেটিং চাপের জন্য একটি রেকর্ড স্থাপন করে এবং তাদের নতুন পাওয়া স্থায়িত্ব ঘনীভূত-পদার্থবিদ্যা এবং ভূপদার্থবিদ্যায় অধ্যয়নকে উপকৃত করতে পারে।

এনভি কেন্দ্রগুলি ঘটে যখন হীরার দুটি প্রতিবেশী কার্বন পরমাণু একটি নাইট্রোজেন পরমাণু এবং একটি খালি জালি সাইট দ্বারা প্রতিস্থাপিত হয়। তারা বিভিন্ন স্পিন সহ ক্ষুদ্র কোয়ান্টাম চুম্বকের মতো কাজ করে এবং লেজারের ডালগুলির সাথে উত্তেজিত হলে, তারা যে ফ্লুরোসেন্ট সংকেত নির্গত করে তা বস্তুর কাছাকাছি নমুনার চৌম্বকীয় বৈশিষ্ট্যগুলিতে সামান্য পরিবর্তনগুলি নিরীক্ষণ করতে ব্যবহার করা যেতে পারে। কারণ নির্গত NV কেন্দ্র সংকেতের তীব্রতা স্থানীয় চৌম্বক ক্ষেত্রের সাথে পরিবর্তিত হয়।

সমস্যা হল যে এই ধরনের সেন্সরগুলি ভঙ্গুর এবং কঠোর পরিস্থিতিতে কাজ করে না। এটি পৃথিবীর অভ্যন্তর অধ্যয়ন করার জন্য তাদের ব্যবহার করা কঠিন করে তোলে, যেখানে গিগাপাস্কাল (জিপিএ) চাপ প্রবল হয়, বা হাইড্রাইড সুপারকন্ডাক্টরের মতো উপাদানগুলি তদন্ত করার জন্য, যা খুব উচ্চ চাপে তৈরি করা হয়।

অপটিক্যালি সনাক্ত করা চৌম্বকীয় অনুরণন

নতুন কাজে একটি টিমের নেতৃত্বে ড গ্যাং-কিন লিউ এর বেইজিং ন্যাশনাল রিসার্চ সেন্টার ফর কনডেন্সড ম্যাটার ফিজিক্স এবং ইনস্টিটিউট অফ ফিজিক্স, চাইনিজ একাডেমি অফ সায়েন্সেস, একটি মাইক্রোস্কোপিক উচ্চ-চাপ চেম্বার তৈরি করে যা ডায়মন্ড অ্যানভিল সেল নামে পরিচিত যেখানে তাদের সেন্সরগুলি স্থাপন করা হয়, যা মাইক্রোডায়মন্ডের সমন্বয়ে গঠিত যা NV কেন্দ্রগুলির একটি অংশ ধারণ করে। এই ধরনের সেন্সরগুলি অপটিক্যালি ডিটেক্টেড ম্যাগনেটিক রেজোন্যান্স (ODMR) নামে একটি কৌশলের জন্য কাজ করে যেখানে নমুনাটি প্রথমে একটি লেজার ব্যবহার করে উত্তেজিত হয় (এই ক্ষেত্রে 532 এনএম তরঙ্গদৈর্ঘ্যের সাথে) এবং তারপর মাইক্রোওয়েভ ডালের মাধ্যমে ম্যানিপুলেট করা হয়। গবেষকরা একটি পাতলা প্ল্যাটিনাম তার ব্যবহার করে মাইক্রোওয়েভ ডাল প্রয়োগ করেছেন, যা উচ্চ চাপের জন্য শক্তিশালী। চূড়ান্ত পদক্ষেপ হল নির্গত প্রতিপ্রভ পরিমাপ করা।

"আমাদের পরীক্ষায়, আমরা প্রথমে বিভিন্ন চাপের অধীনে এনভি কেন্দ্রগুলির ফটোলুমিনেসেন্স পরিমাপ করেছি," লিউ ব্যাখ্যা করে। "আমরা প্রায় 100 জিপিএ-তে ফ্লুরোসেন্স পর্যবেক্ষণ করেছি, একটি অপ্রত্যাশিত ফলাফল যা আমাদের পরবর্তী ODMR পরিমাপ করতে পরিচালিত করেছিল।"

এক জায়গায় NV কেন্দ্রগুলির একটি বড় দল

যদিও ফলাফলটি আশ্চর্যজনক কিছু ছিল, লিউ নোট করেছেন যে হীরার জালিটি খুব স্থিতিশীল এবং 100 জিপিএ (1Mbar, বা সমুদ্রপৃষ্ঠে পৃথিবীর বায়ুমণ্ডলীয় চাপের প্রায় 1 মিলিয়ন গুণ) চাপেও কোনও পর্যায়ে পরিবর্তন হয় না। এবং যখন এই ধরনের উচ্চ চাপ এনভি কেন্দ্রগুলির শক্তির স্তর এবং অপটিক্যাল বৈশিষ্ট্যগুলিকে পরিবর্তন করে, তখন পরিবর্তনের হার উচ্চ চাপে ধীর হয়ে যায়, যার ফলে ফ্লুরোসেন্স টিকে থাকে। তবুও, সে বলে ফিজিক্স ওয়ার্ল্ড Mbar চাপে ODMR স্পেকট্রা প্রাপ্ত করা "কোন সহজ কাজ" ছিল না।

"আমাদের অনেক প্রযুক্তিগত চ্যালেঞ্জ অতিক্রম করতে হবে," তিনি বলেছেন। "বিশেষত একটি হল যে উচ্চ চাপ এনভি ফ্লুরোসেন্স সিগন্যালকে হ্রাস করে এবং অতিরিক্ত পটভূমি প্রতিপ্রভ নিয়ে আসে।"

গবেষকরা NV কেন্দ্রগুলির একটি বৃহৎ সংযোজন ব্যবহার করে এই সমস্যাগুলি কাটিয়ে উঠলেন (~5 × 10⁵ একটি একক মাইক্রোডায়মন্ডে) এবং তাদের পরীক্ষামূলক সিস্টেমের আলো-সংগ্রহের দক্ষতা অপ্টিমাইজ করে। কিন্তু তাদের দুশ্চিন্তার শেষ ছিল না। তাদের সেন্সরের উপর একটি বৃহৎ চাপ গ্রেডিয়েন্ট এড়াতেও প্রয়োজন ছিল, কারণ চাপ বন্টনের কোনো অসঙ্গতি OMDR স্পেকট্রাকে প্রসারিত করবে এবং সংকেত বৈসাদৃশ্যকে অবনমিত করবে।

"এই চ্যালেঞ্জ মোকাবেলা করার জন্য, আমরা চাপের মাধ্যম হিসাবে পটাসিয়াম ব্রোমাইড (KBr) বেছে নিয়েছি এবং সনাক্তকরণের পরিমাণ প্রায় 1 um-এ সীমাবদ্ধ করেছি³"লিউ বলেছেন। "আমরা এই পদ্ধতি ব্যবহার করে প্রায় 140 জিপিএতে NV কেন্দ্রগুলির ODMR পেতে সক্ষম হয়েছি।"

সর্বাধিক চাপ আরও বেশি হতে পারে, তিনি যোগ করেন, যেহেতু এনভি কেন্দ্রগুলিতে শক্তির স্তরের চাপ-প্ররোচিত পরিবর্তনগুলি প্রত্যাশার চেয়ে ছোট হতে দেখা গেছে। "এই লক্ষ্য অর্জনের মূল চ্যালেঞ্জ হল ছোট বা কোন চাপ গ্রেডিয়েন্ট সহ উচ্চ চাপ তৈরি করা," লিউ বলেছেন। "প্রেশার-ট্রান্সমিটিং মাধ্যম হিসাবে মহৎ গ্যাস ব্যবহার করে এটি সম্ভব হতে পারে।"

লিউ এবং সহকর্মীদের মতে, এই পরীক্ষাগুলি দেখায় যে NV কেন্দ্রগুলি হিসাবে ব্যবহার করা যেতে পারে সিটি ইন এমবার চাপে পদার্থের চৌম্বকীয় বৈশিষ্ট্য অধ্যয়নের জন্য কোয়ান্টাম সেন্সর। একটি উদাহরণ হতে পারে LaH এ Meissner প্রভাব (চৌম্বক ক্ষেত্র বর্জন) তদন্ত করা₁₀ , একটি উচ্চ-তাপমাত্রা সুপারকন্ডাক্টর যা শুধুমাত্র 160 GPa-এর উপরে চাপে সংশ্লেষিত হতে পারে।

গবেষকরা এখন তাদের সেন্সর অপ্টিমাইজ করার এবং তাদের উচ্চ-চাপের সীমা নির্ধারণ করার পরিকল্পনা করছেন। তারা তাদের চৌম্বক সংবেদনশীলতা (ফ্লুরোসেন্স সংগ্রহের দক্ষতা অপ্টিমাইজ করে) উন্নত করার এবং মাল্টি-মডেল সেন্সিং স্কিমগুলি বিকাশ করার আশা করে – উদাহরণস্বরূপ, তাপমাত্রা এবং চৌম্বক ক্ষেত্র একই সাথে পরিমাপ করা।

তারা তাদের বর্তমান অধ্যয়নের বিবরণ দেয় চীনা পদার্থবিদ্যা চিঠি.