Kvantesensorer baseret på mikroskopiske fejl i den krystallinske struktur af diamant kan arbejde ved tryk helt op til 140 gigapascal, ifølge forskning foretaget af fysikere ved det kinesiske videnskabsakademi i Beijing. Fundet sætter rekord for driftstrykket af kvantesensorer baseret på såkaldte nitrogen vacancy (NV) centre, og deres nyfundne holdbarhed kan gavne studier i kondenseret stof fysik og geofysik.
NV-centre opstår, når to nabocarbonatomer i diamant erstattes af et nitrogenatom og et tomt gittersted. De fungerer som små kvantemagneter med forskellige spins, og når de exciteres med laserimpulser, kan det fluorescerende signal, de udsender, bruges til at overvåge små ændringer i de magnetiske egenskaber af en nærliggende prøve af materiale. Dette skyldes, at intensiteten af det udsendte NV-centersignal ændres med det lokale magnetfelt.
Problemet er, at sådanne sensorer er skrøbelige og har en tendens til ikke at arbejde under barske forhold. Dette gør det vanskeligt at bruge dem til at studere Jordens indre, hvor der hersker gigapascal (GPa) tryk, eller til at undersøge materialer som hydridsuperledere, som er fremstillet ved meget høje tryk.
Optisk detekteret magnetisk resonans
I det nye arbejde har et team ledet af Gang-Qin Liu af Beijing National Research Center for Condensed Matter Physics , Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, begyndte med at skabe et mikroskopisk højtrykskammer kendt som en diamantamboltcelle, hvori deres sensorer kunne placeres, som bestod af mikrodiamanter, der indeholder et ensemble af NV-centre. Sensorer af denne type fungerer takket være en teknik kaldet optisk detekteret magnetisk resonans (ODMR), hvor prøven først exciteres ved hjælp af en laser (i dette tilfælde med en bølgelængde på 532 nm) og derefter manipuleres via mikrobølgeimpulser. Forskerne anvendte mikrobølgeimpulserne ved hjælp af en tynd platintråd, som er robust over for høje tryk. Det sidste trin er at måle den udsendte fluorescens.
"I vores eksperiment målte vi først fotoluminescensen af NV-centrene under forskellige tryk," forklarer Liu. "Vi observerede fluorescens ved næsten 100 GPa, et uventet resultat, der fik os til at udføre efterfølgende ODMR-målinger."
Et stort ensemble af NV-centre på ét sted
Selvom resultatet var noget af en overraskelse, bemærker Liu, at diamantgitteret er meget stabilt og ikke gennemgår nogen faseovergang, selv ved tryk på 100 GPa (1Mbar, eller næsten 1 million gange Jordens atmosfæriske tryk ved havoverfladen). Og mens sådanne høje tryk ændrer energiniveauerne og de optiske egenskaber af NV-centre, sænkes modifikationshastigheden ved højere tryk, hvilket tillader fluorescensen at fortsætte. Alligevel, fortæller han Fysik verden det var "ingen let opgave" at opnå ODMR-spektre ved Mbar-tryk.
"Der er mange tekniske udfordringer, vi skal overvinde," siger han. "Et særligt er, at høje tryk mindsker NV-fluorescenssignalet og giver ekstra baggrundsfluorescens."
Forskerne overvandt disse problemer ved at bruge et stort ensemble af NV-centre (~5 × 105 i en enkelt mikrodiamant) og optimerer lysindsamlingseffektiviteten af deres eksperimentelle system. Men deres bekymringer sluttede ikke der. De skulle også undgå en stor trykgradient over sensoren, da enhver inhomogenitet i trykfordelingen ville have udvidet OMDR-spektrene og forringet signalkontrasten.
"For at imødekomme denne udfordring valgte vi kaliumbromid (KBr) som trykmediet og begrænsede detektionsvolumenet til omkring 1 um3,” siger Liu. "Vi var i stand til at opnå ODMR af NV-centre ved næsten 140 GPa ved hjælp af denne tilgang."
Det maksimale tryk kan være endnu højere, tilføjer han, da de trykinducerede ændringer af energiniveauerne i NV-centre viste sig at være mindre end forventet. "Nøgleudfordringen for at nå dette mål er at producere høje tryk med lille eller ingen trykgradient," siger Liu. "Dette kan være muligt ved at bruge ædelgas som det trykoverførende medium."
Quantum gravity gradient sensor brugt udendørs til at finde tunnel
Ifølge Liu og kolleger viser disse eksperimenter, at NV-centre kunne bruges som on-site kvantesensorer til undersøgelse af materialers magnetiske egenskaber ved Mbar-tryk. Et eksempel kunne være at undersøge Meissner-effekten (magnetisk feltudelukkelse) i LaH10 , en højtemperatur-superleder, der kun kan syntetiseres ved tryk over 160 GPa.
Forskerne planlægger nu at optimere deres sensorer og bestemme deres højtryksgrænse. De håber også at forbedre deres magnetiske følsomhed (ved at optimere effektiviteten af fluorescensopsamlingen) og udvikle multimodale registreringsskemaer – for eksempel måling af temperatur og magnetfelt samtidigt.
De beskriver deres nuværende undersøgelse i Kinesiske fysik bogstaver.
