Quantensensoren, die auf mikroskopisch kleinen Fehlern in der kristallinen Struktur von Diamanten basieren, können laut Untersuchungen von Physikern der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking bei Drücken von bis zu 140 Gigapascal arbeiten. Der Befund stellt einen Rekord für den Betriebsdruck von Quantensensoren auf der Grundlage sogenannter Stickstoff-Leerstellen (NV)-Zentren auf, und ihre neu entdeckte Haltbarkeit könnte Studien in der Physik der kondensierten Materie und der Geophysik zugute kommen.
NV-Zentren entstehen, wenn zwei benachbarte Kohlenstoffatome in Diamant durch ein Stickstoffatom und einen leeren Gitterplatz ersetzt werden. Sie wirken wie winzige Quantenmagnete mit unterschiedlichen Spins, und wenn sie mit Laserimpulsen angeregt werden, kann das von ihnen emittierte Fluoreszenzsignal verwendet werden, um geringfügige Änderungen der magnetischen Eigenschaften einer nahe gelegenen Materialprobe zu überwachen. Dies liegt daran, dass sich die Intensität des emittierten NV-Zentrumssignals mit dem lokalen Magnetfeld ändert.
Das Problem ist, dass solche Sensoren zerbrechlich sind und dazu neigen, unter rauen Bedingungen nicht zu funktionieren. Dies macht es schwierig, sie für die Untersuchung des Erdinneren zu verwenden, wo Drücke im Gigapascal (GPa) herrschen, oder für die Untersuchung von Materialien wie Hydrid-Supraleitern, die bei sehr hohen Drücken hergestellt werden.
Optisch detektierte Magnetresonanz
In der neuen Arbeit führte ein Team durch Gang-Qin Liu dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Nationales Forschungszentrum für kondensierte Materie in Peking und Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, begannen mit der Schaffung einer mikroskopisch kleinen Hochdruckkammer, die als Diamantambosszelle bekannt ist, in der sie ihre Sensoren platzieren konnten, die aus Mikrodiamanten bestanden, die ein Ensemble von NV-Zentren enthielten. Sensoren dieses Typs arbeiten dank einer Technik namens optisch detektierte Magnetresonanz (ODMR), bei der die Probe zunächst mit einem Laser (in diesem Fall mit einer Wellenlänge von 532 nm) angeregt und dann über Mikrowellenimpulse manipuliert wird. Die Mikrowellenpulse applizierten die Forscher mit einem dünnen Platindraht, der hohen Drücken standhält. Der letzte Schritt besteht darin, die emittierte Fluoreszenz zu messen.
„In unserem Experiment haben wir zunächst die Photolumineszenz der NV-Zentren unter verschiedenen Drücken gemessen“, erklärt Liu. „Wir haben eine Fluoreszenz bei fast 100 GPa beobachtet, ein unerwartetes Ergebnis, das uns veranlasste, nachfolgende ODMR-Messungen durchzuführen.“
Ein großes Ensemble von NV-Zentren an einem Ort
Obwohl das Ergebnis etwas überraschend war, stellt Liu fest, dass das Diamantgitter sehr stabil ist und keinen Phasenübergang erfährt, selbst bei Drücken von 100 GPa (1 Mbar oder fast dem 1-Millionen-fachen des atmosphärischen Drucks der Erde auf Meereshöhe). Und während solch hohe Drücke die Energieniveaus und optischen Eigenschaften von NV-Zentren modifizieren, verlangsamt sich die Modifikationsrate bei höheren Drücken, wodurch die Fluoreszenz bestehen bleiben kann. Trotzdem erzählt er Physik-Welt Es sei „keine leichte Aufgabe“, ODMR-Spektren bei Mbar-Drücken zu erhalten.
„Es gibt viele technische Herausforderungen, die wir meistern müssen“, sagt er. „Einer davon ist insbesondere, dass hohe Drücke das NV-Fluoreszenzsignal verringern und zusätzliche Hintergrundfluoreszenz bringen.“
Die Forscher überwanden diese Probleme, indem sie ein großes Ensemble von NV-Zentren (~5 × 105 in einem einzigen Mikrodiamanten) und die Optimierung der Lichtsammeleffizienz ihres experimentellen Systems. Aber ihre Sorgen endeten nicht dort. Sie mussten auch einen großen Druckgradienten über dem Sensor vermeiden, da jede Inhomogenität in der Druckverteilung die OMDR-Spektren verbreitert und den Signalkontrast verschlechtert hätte.
„Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben wir als Druckmedium Kaliumbromid (KBr) gewählt und das Detektionsvolumen auf etwa 1 μm begrenzt3“, sagt Liu. „Mit diesem Ansatz konnten wir ODMR von NV-Zentren bei fast 140 GPa erhalten.“
Der maximale Druck könnte noch höher sein, fügt er hinzu, da die druckinduzierten Änderungen der Energieniveaus in NV-Zentren geringer ausgefallen seien als erwartet. „Die größte Herausforderung, um dieses Ziel zu erreichen, besteht darin, hohe Drücke mit geringem oder keinem Druckgradienten zu erzeugen“, sagt Liu. „Mit Edelgas als druckübertragendem Medium könnte das möglich sein.“
Quantengravitationsgradientensensor, der im Freien verwendet wird, um einen Tunnel zu finden
Laut Liu und Kollegen zeigen diese Experimente, dass NV-Zentren als verwendet werden könnten in situ Quantensensoren zur Untersuchung der magnetischen Eigenschaften von Materialien bei Drücken in Mbar. Ein Beispiel könnte die Untersuchung des Meissner-Effekts (Magnetfeldausschluss) in LaH sein10 , ein Hochtemperatur-Supraleiter, der nur bei Drücken über 160 GPa synthetisiert werden kann.
Die Forscher wollen nun ihre Sensoren optimieren und ihre Hochdruckgrenze ermitteln. Sie hoffen auch, ihre magnetische Empfindlichkeit zu verbessern (durch Optimierung der Fluoreszenzerfassungseffizienz) und multimodale Erfassungsschemata zu entwickeln – beispielsweise die gleichzeitige Messung von Temperatur und Magnetfeld.
Sie beschreiben ihre aktuelle Studie in Chinesische Physikbriefe.
