Οι κβαντικοί αισθητήρες που βασίζονται σε μικροσκοπικά ελαττώματα στην κρυσταλλική δομή του διαμαντιού μπορούν να λειτουργήσουν σε πιέσεις έως και 140 γιγαπασκάλ, σύμφωνα με έρευνα φυσικών της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών στο Πεκίνο. Το εύρημα θέτει ένα ρεκόρ για την πίεση λειτουργίας των κβαντικών αισθητήρων που βασίζονται στα λεγόμενα κέντρα κενών αζώτου (NV) και η νέα αντοχή τους θα μπορούσε να ωφελήσει τις μελέτες στη φυσική και τη γεωφυσική συμπυκνωμένης ύλης.
Τα κέντρα NV εμφανίζονται όταν δύο γειτονικά άτομα άνθρακα στο διαμάντι αντικαθίστανται από ένα άτομο αζώτου και μια κενή θέση πλέγματος. Λειτουργούν σαν μικροσκοπικοί κβαντικοί μαγνήτες με διαφορετικές περιστροφές και όταν διεγείρονται με παλμούς λέιζερ, το σήμα φθορισμού που εκπέμπουν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση ελαφρών αλλαγών στις μαγνητικές ιδιότητες ενός κοντινού δείγματος υλικού. Αυτό συμβαίνει επειδή η ένταση του εκπεμπόμενου σήματος του κέντρου NV αλλάζει με το τοπικό μαγνητικό πεδίο.
Το πρόβλημα είναι ότι τέτοιοι αισθητήρες είναι εύθραυστοι και τείνουν να μην λειτουργούν σε σκληρές συνθήκες. Αυτό καθιστά δύσκολη τη χρήση τους για τη μελέτη του εσωτερικού της Γης, όπου επικρατούν πιέσεις gigapascal (GPa), ή τη διερεύνηση υλικών όπως οι υπεραγωγοί υδριδίου, που κατασκευάζονται σε πολύ υψηλές πιέσεις.
Οπτικά ανιχνευόμενος μαγνητικός συντονισμός
Στη νέα δουλειά, μια ομάδα με επικεφαλής τον Gang-Qin Liu του Εθνικό Κέντρο Ερευνών του Πεκίνου για τη Φυσική της Συμπυκνωμένης Ύλης και Ινστιτούτο Φυσικής, Κινεζική Ακαδημία Επιστημών, ξεκίνησε δημιουργώντας έναν μικροσκοπικό θάλαμο υψηλής πίεσης, γνωστό ως κυψέλη άκμονα διαμαντιού, στον οποίο τοποθετούσαν τους αισθητήρες τους, που αποτελούνταν από μικροδιαμάντια που περιέχουν ένα σύνολο κέντρων NV. Οι αισθητήρες αυτού του τύπου λειτουργούν χάρη σε μια τεχνική που ονομάζεται οπτικά ανιχνευόμενος μαγνητικός συντονισμός (ODMR) κατά την οποία το δείγμα διεγείρεται πρώτα χρησιμοποιώντας λέιζερ (στην περίπτωση αυτή με μήκος κύματος 532 nm) και στη συνέχεια χειρίζεται μέσω παλμών μικροκυμάτων. Οι ερευνητές εφάρμοσαν τους παλμούς μικροκυμάτων χρησιμοποιώντας ένα λεπτό σύρμα πλατίνας, το οποίο είναι ανθεκτικό σε υψηλές πιέσεις. Το τελευταίο βήμα είναι η μέτρηση του εκπεμπόμενου φθορισμού.
«Στο πείραμά μας, πρώτα μετρήσαμε τη φωτοφωταύγεια των κέντρων NV κάτω από διαφορετικές πιέσεις», εξηγεί ο Liu. «Παρατηρήσαμε φθορισμό σχεδόν στα 100 GPa, ένα απροσδόκητο αποτέλεσμα που μας οδήγησε να πραγματοποιήσουμε επόμενες μετρήσεις ODMR».
Ένα μεγάλο σύνολο NV επικεντρώνεται σε ένα σημείο
Ενώ το αποτέλεσμα ήταν κάτι περίεργο, ο Liu σημειώνει ότι το διαμαντένιο πλέγμα είναι πολύ σταθερό και δεν υφίσταται μετάβαση φάσης, ακόμη και σε πιέσεις 100 GPa (1Mbar, ή σχεδόν 1 εκατομμύριο φορές την ατμοσφαιρική πίεση της Γης στο επίπεδο της θάλασσας). Και ενώ τέτοιες υψηλές πιέσεις τροποποιούν τα επίπεδα ενέργειας και τις οπτικές ιδιότητες των κέντρων NV, ο ρυθμός τροποποίησης επιβραδύνεται σε υψηλότερες πιέσεις, επιτρέποντας στον φθορισμό να παραμείνει. Ακόμα κι έτσι, λέει Κόσμος Φυσικής Δεν ήταν «εύκολο έργο» να ληφθούν τα φάσματα ODMR σε πιέσεις Mbar.
«Υπάρχουν πολλές τεχνικές προκλήσεις που πρέπει να ξεπεράσουμε», λέει. «Ένα συγκεκριμένο είναι ότι οι υψηλές πιέσεις μειώνουν το σήμα φθορισμού NV και φέρνουν επιπλέον φθορισμό φόντου».
Οι ερευνητές ξεπέρασαν αυτά τα προβλήματα χρησιμοποιώντας ένα μεγάλο σύνολο κέντρων NV (~5 × 105 σε ένα μόνο μικροδιαμάντι) και βελτιστοποιώντας την απόδοση συλλογής φωτός του πειραματικού τους συστήματος. Όμως οι ανησυχίες τους δεν τελείωσαν εκεί. Χρειαζόταν επίσης να αποφύγουν μια μεγάλη κλίση πίεσης πάνω από τον αισθητήρα, καθώς οποιαδήποτε ανομοιογένεια στην κατανομή της πίεσης θα είχε διευρύνει τα φάσματα OMDR και θα είχε υποβαθμίσει την αντίθεση του σήματος.
«Για να ανταποκριθούμε σε αυτήν την πρόκληση, επιλέξαμε βρωμιούχο κάλιο (KBr) ως μέσο πίεσης και περιορίσαμε τον όγκο ανίχνευσης σε περίπου 1 um3», λέει ο Liu. "Μπορέσαμε να αποκτήσουμε ODMR κέντρων NV σε σχεδόν 140 GPa χρησιμοποιώντας αυτήν την προσέγγιση."
Η μέγιστη πίεση μπορεί να είναι ακόμη μεγαλύτερη, προσθέτει, αφού οι τροποποιήσεις που προκαλούνται από την πίεση στα επίπεδα ενέργειας στα κέντρα NV αποδείχθηκαν μικρότερες από τις αναμενόμενες. «Η βασική πρόκληση για την επίτευξη αυτού του στόχου είναι η παραγωγή υψηλών πιέσεων με μικρή ή καθόλου κλίση πίεσης», λέει ο Liu. «Αυτό μπορεί να είναι δυνατό χρησιμοποιώντας ευγενές αέριο ως μέσο μετάδοσης πίεσης».
Αισθητήρας κβαντικής βαρύτητας που χρησιμοποιείται σε εξωτερικούς χώρους για την εύρεση σήραγγας
Σύμφωνα με τον Liu και τους συνεργάτες του, αυτά τα πειράματα δείχνουν ότι τα κέντρα NV θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως στο χώρο κβαντικοί αισθητήρες για τη μελέτη των μαγνητικών ιδιοτήτων των υλικών σε πιέσεις Mbar. Ένα παράδειγμα μπορεί να είναι η ανίχνευση του φαινομένου Meissner (αποκλεισμός μαγνητικού πεδίου) στο LaH10 , ένας υπεραγωγός υψηλής θερμοκρασίας που μπορεί να συντεθεί μόνο σε πιέσεις πάνω από 160 GPa.
Οι ερευνητές σχεδιάζουν τώρα να βελτιστοποιήσουν τους αισθητήρες τους και να καθορίσουν το όριο υψηλής πίεσης τους. Ελπίζουν επίσης να βελτιώσουν τη μαγνητική τους ευαισθησία (βελτιστοποιώντας την απόδοση συλλογής φθορισμού) και να αναπτύξουν συστήματα ανίχνευσης πολλαπλών τρόπων - για παράδειγμα, μέτρηση θερμοκρασίας και μαγνητικού πεδίου ταυτόχρονα.
Αναλυτικά η παρούσα μελέτη τους στο Κινεζικά γράμματα φυσικής.
