Kvantsensor püsib rekordiliselt kõrgel rõhul

Pekingi Hiina Teaduste Akadeemia füüsikute uuringu kohaselt võivad teemandi kristallstruktuuri mikroskoopilistel vigadel põhinevad kvantandurid töötada kuni 140 gigapaskali rõhul. See leid püstitab niinimetatud lämmastiku vakantsuskeskustel (NV) põhinevate kvantandurite töörõhu rekordi ja nende äsja leitud vastupidavus võib olla kasulik kondenseeritud aine füüsika ja geofüüsika uuringutes.

NV-keskmed tekivad siis, kui teemandis on kaks naabersüsinikuaatomit asendatud lämmastikuaatomi ja tühja võrekohaga. Need toimivad nagu pisikesed erineva spinniga kvantmagnetid ja laserimpulssidega ergastades saab nende kiirgavat fluorestsentssignaali kasutada lähedalasuva materjalinäidise magnetiliste omaduste kergete muutuste jälgimiseks. Selle põhjuseks on asjaolu, et kiiratava NV kesksignaali intensiivsus muutub koos kohaliku magnetväljaga.

Probleem on selles, et sellised andurid on haprad ja ei tööta karmides tingimustes. See muudab nende kasutamise keeruliseks Maa sisemuse uurimiseks, kus valitseb gigapaskali (GPa) rõhk, või selliste materjalide uurimiseks nagu hüdriidülijuhid, mis on valmistatud väga kõrgel rõhul.

Optiliselt tuvastatud magnetresonants

Uues töös meeskond eesotsas Gang-Qin Liu Euroopa Pekingi riiklik kondenseeritud aine füüsika uurimiskeskus ja Hiina Teaduste Akadeemia füüsikainstituut, sai alguse mikroskoopilise kõrgsurvekambri loomisest, mida tuntakse teemantide alasi elemendina, millesse paigutati andurid, mis koosnesid mikroteemantidest, mis sisaldavad NV-keskuste ansamblit. Seda tüüpi andurid töötavad tänu tehnikale, mida nimetatakse optiliselt tuvastatud magnetresonantsiks (ODMR), mille puhul proovi esmalt ergastatakse laseriga (antud juhul lainepikkusega 532 nm) ja seejärel manipuleeritakse mikrolaineimpulsside abil. Uurijad rakendasid mikrolaineimpulsse õhukese plaatinatraadi abil, mis on vastupidav kõrgele rõhule. Viimane samm on emiteeritud fluorestsentsi mõõtmine.

"Meie katses mõõtsime kõigepealt NV-keskuste fotoluminestsentsi erinevatel rõhkudel, " selgitab Liu. "Me täheldasime fluorestsentsi peaaegu 100 GPa juures, mis on ootamatu tulemus, mis viis meid järgnevate ODMR-mõõtmiste läbiviimiseni."

Suur NV keskuste ansambel ühes kohas

Kuigi tulemus oli üllatav, märgib Liu, et teemantvõre on väga stabiilne ega läbi faasisiiret isegi rõhul 100 GPa (1 Mbar ehk peaaegu 1 miljon korda suurem Maa atmosfäärirõhust merepinnal). Ja kuigi sellised kõrged rõhud muudavad NV-keskuste energiataset ja optilisi omadusi, aeglustub modifitseerimiskiirus kõrgemal rõhul, võimaldades fluorestsentsil püsida. Isegi nii, ütleb ta Füüsika maailm ODMR-spektrite saamine Mbar-rõhul ei olnud kerge ülesanne.

"Peame ületama palju tehnilisi väljakutseid," ütleb ta. "Eelkõige on see, et kõrged rõhud vähendavad NV fluorestsentsi signaali ja toovad täiendava tausta fluorestsentsi."

Teadlased said neist probleemidest üle, kasutades suurt NV-keskuste ansamblit (~ 5 × 10⁵ ühes mikroteemandis) ja optimeerides nende katsesüsteemi valguse kogumise efektiivsust. Kuid sellega nende mured ei lõppenud. Samuti pidid nad vältima suurt rõhugradienti anduri kohal, kuna rõhu jaotuse ebaühtlus oleks laiendanud OMDR-spektreid ja halvendanud signaali kontrasti.

"Selle väljakutse lahendamiseks valisime rõhukeskkonnaks kaaliumbromiidi (KBr) ja piirasime tuvastamismahu umbes 1 um-ni.³"ütleb Liu. "Selle lähenemisviisi abil suutsime saada NV-keskuste ODMR-i peaaegu 140 GPa juures."

Maksimaalne rõhk võib olla veelgi suurem, lisab ta, kuna rõhust põhjustatud energiataseme muutused NV-keskustes osutusid oodatust väiksemaks. "Peamine väljakutse selle eesmärgi saavutamiseks on kõrge rõhu tekitamine väikese rõhugradiendiga või ilma, " ütleb Liu. "See võib olla võimalik väärisgaasi kasutamisel rõhku edastava keskkonnana."

Liu ja kolleegide sõnul näitavad need katsed, et NV-keskusi saab kasutada kohapealne kvantandurid materjalide magnetiliste omaduste uurimiseks rõhul Mbar. Üks näide võib olla Meissneri efekti (magnetvälja välistamine) uurimine LaH-s₁₀ , kõrge temperatuuriga ülijuht, mida saab sünteesida ainult rõhul üle 160 GPa.

Teadlased kavatsevad nüüd oma andureid optimeerida ja määrata nende kõrgrõhupiir. Samuti loodavad nad parandada oma magnetilist tundlikkust (optimeerides fluorestsentsi kogumise efektiivsust) ja arendada multimodaalseid sensorskeeme – näiteks temperatuuri ja magnetvälja samaaegset mõõtmist.

Nad kirjeldavad oma praegust uuringut Hiina füüsika kirjad.