Los sensores cuánticos basados en fallas microscópicas en la estructura cristalina del diamante pueden funcionar a presiones de hasta 140 gigapascales, según una investigación realizada por físicos de la Academia de Ciencias de China en Beijing. El hallazgo establece un récord para la presión operativa de los sensores cuánticos basados en los llamados centros de vacantes de nitrógeno (NV), y su nueva durabilidad podría beneficiar los estudios de física y geofísica de la materia condensada.
Los centros NV ocurren cuando dos átomos de carbono vecinos en el diamante son reemplazados por un átomo de nitrógeno y un sitio de red vacío. Actúan como diminutos imanes cuánticos con diferentes espines y, cuando se excitan con pulsos de láser, la señal fluorescente que emiten se puede utilizar para controlar ligeros cambios en las propiedades magnéticas de una muestra cercana de material. Esto se debe a que la intensidad de la señal central NV emitida cambia con el campo magnético local.
El problema es que estos sensores son frágiles y tienden a no funcionar en condiciones adversas. Esto dificulta su uso para estudiar el interior de la Tierra, donde prevalecen las presiones en gigapascales (GPa), o investigar materiales como los superconductores de hidruro, que se fabrican a presiones muy altas.
Resonancia magnética detectada ópticamente
En el nuevo trabajo, un equipo dirigido por Gang Qin Liu de las Centro Nacional de Investigación de Física de la Materia Condensada de Beijing y Instituto de Física, Academia de Ciencias de China, comenzó creando una cámara microscópica de alta presión conocida como celda de yunque de diamante en la que colocar sus sensores, que consistía en microdiamantes que contenían un conjunto de centros NV. Los sensores de este tipo funcionan gracias a una técnica llamada resonancia magnética detectada ópticamente (ODMR) en la que primero se excita la muestra mediante un láser (en este caso con una longitud de onda de 532 nm) y luego se manipula mediante pulsos de microondas. Los investigadores aplicaron los pulsos de microondas utilizando un alambre delgado de platino, que es resistente a las altas presiones. El paso final es medir la fluorescencia emitida.
“En nuestro experimento, primero medimos la fotoluminiscencia de los centros NV bajo diferentes presiones”, explica Liu. “Observamos fluorescencia a casi 100 GPa, un resultado inesperado que nos llevó a realizar mediciones ODMR posteriores”.
Un gran conjunto de centros NV en un solo lugar
Si bien el resultado fue algo sorprendente, Liu señala que la red de diamantes es muy estable y no sufre transición de fase, incluso a presiones de 100 GPa (1 Mbar, o casi 1 millón de veces la presión atmosférica de la Tierra al nivel del mar). Y aunque presiones tan altas modifican los niveles de energía y las propiedades ópticas de los centros NV, la tasa de modificación se ralentiza a presiones más altas, lo que permite que persista la fluorescencia. Aun así, le dice Mundo de la física “No fue una tarea fácil” obtener espectros ODMR a presiones de Mbar.
“Hay muchos desafíos técnicos que tenemos que superar”, dice. "Uno en particular es que las altas presiones disminuyen la señal de fluorescencia NV y aportan una fluorescencia de fondo adicional".
Los investigadores superaron estos problemas utilizando un gran conjunto de centros NV (~5 × 105 en un solo microdiamante) y optimizar la eficiencia de recolección de luz de su sistema experimental. Pero sus preocupaciones no terminaron ahí. También necesitaban evitar un gran gradiente de presión sobre el sensor, ya que cualquier falta de homogeneidad en la distribución de la presión habría ampliado los espectros OMDR y degradado el contraste de la señal.
“Para enfrentar este desafío, elegimos bromuro de potasio (KBr) como medio de presión y limitamos el volumen de detección a aproximadamente 1 um.3”, dice Liu. "Pudimos obtener ODMR de los centros NV a casi 140 GPa utilizando este enfoque".
La presión máxima puede ser incluso mayor, agrega, ya que las modificaciones de los niveles de energía inducidas por la presión en los centros NV resultaron ser menores de lo esperado. “El desafío clave para lograr este objetivo es producir altas presiones con un gradiente de presión pequeño o nulo”, dice Liu. "Esto podría ser posible utilizando gas noble como medio de transmisión de presión".
Sensor de gradiente de gravedad cuántica utilizado al aire libre para encontrar un túnel
Según Liu y sus colegas, estos experimentos muestran que los centros NV podrían usarse como in situ sensores cuánticos para estudiar las propiedades magnéticas de los materiales a presiones Mbar. Un ejemplo podría ser probar el efecto Meissner (exclusión del campo magnético) en LaH10 , un superconductor de alta temperatura que solo se puede sintetizar a presiones superiores a 160 GPa.
Los investigadores ahora planean optimizar sus sensores y determinar su límite de alta presión. También esperan mejorar su sensibilidad magnética (al optimizar la eficiencia de recolección de fluorescencia) y desarrollar esquemas de detección multimodal, por ejemplo, medir la temperatura y el campo magnético simultáneamente.
Ellos detallan su presente estudio en Letras de física chinas.
