بر اساس تحقیقات فیزیکدانان آکادمی علوم چین در پکن، حسگرهای کوانتومی مبتنی بر نقص های میکروسکوپی در ساختار کریستالی الماس می توانند در فشارهایی تا 140 گیگا پاسکال کار کنند. این یافته رکوردی را برای فشار کاری حسگرهای کوانتومی بر اساس مراکز به اصطلاح خالی نیتروژن (NV) ثبت می کند و دوام جدید آنها می تواند به مطالعات در زمینه فیزیک ماده متراکم و ژئوفیزیک کمک کند.
مراکز NV زمانی اتفاق می‌افتند که دو اتم کربن همسایه در الماس با یک اتم نیتروژن و یک محل شبکه خالی جایگزین شوند. آنها مانند آهنرباهای کوانتومی کوچک با چرخش های مختلف عمل می کنند و هنگامی که با پالس های لیزری برانگیخته می شوند، سیگنال فلورسنتی که منتشر می کنند می تواند برای نظارت بر تغییرات جزئی در خواص مغناطیسی یک نمونه از مواد در نزدیکی مورد استفاده قرار گیرد. این به این دلیل است که شدت سیگنال مرکز NV ساطع شده با میدان مغناطیسی محلی تغییر می کند.
مشکل این است که چنین سنسورهایی شکننده هستند و در شرایط سخت کار نمی کنند. این امر استفاده از آنها را برای مطالعه فضای داخلی زمین، جایی که فشار گیگا پاسکال (GPa) غالب است، یا بررسی موادی مانند ابررساناهای هیدرید که در فشارهای بسیار بالا ساخته می شوند، دشوار می کند.
تشدید مغناطیسی تشخیص نوری
در کار جدید، تیمی به رهبری گنگ-کین لیو از مرکز تحقیقات ملی پکن برای فیزیک ماده متراکم و موسسه فیزیک، آکادمی علوم چین، با ایجاد یک محفظه فشار بالا میکروسکوپی به نام سلول سندان الماسی شروع شد که حسگرهای خود را در آن قرار می دادند که شامل ریزالماس هایی بود که شامل مجموعه ای از مراکز NV بود. حسگرهای این نوع به لطف تکنیکی به نام تشدید مغناطیسی شناسایی شده نوری (ODMR) کار می کنند که در آن نمونه ابتدا با استفاده از لیزر (در این مورد با طول موج 532 نانومتر) تحریک می شود و سپس از طریق پالس های مایکروویو دستکاری می شود. محققان پالس های مایکروویو را با استفاده از یک سیم پلاتین نازک، که در برابر فشارهای بالا مقاوم است، اعمال کردند. مرحله آخر اندازه گیری فلورسانس ساطع شده است.
لیو توضیح می‌دهد: «در آزمایش خود، ابتدا نور نوری مراکز NV را تحت فشارهای مختلف اندازه‌گیری کردیم. ما فلورسانس را در نزدیک به 100 گیگا پاسکال مشاهده کردیم، یک نتیجه غیرمنتظره که ما را به انجام اندازه‌گیری‌های بعدی ODMR سوق داد.
مجموعه بزرگی از مراکز NV در یک نقطه
در حالی که نتیجه شگفت‌انگیز بود، لیو خاطرنشان می‌کند که شبکه الماس بسیار پایدار است و حتی در فشارهای 100 گیگا پاسکال (1Mbar یا نزدیک به 1 میلیون برابر فشار اتمسفر زمین در سطح دریا) بسیار پایدار است و هیچ تغییر فازی را تجربه نمی‌کند. و در حالی که چنین فشارهای بالایی سطوح انرژی و خواص نوری مراکز NV را تغییر می‌دهند، سرعت اصلاح در فشارهای بالاتر کاهش می‌یابد و به فلورسانس اجازه می‌دهد ادامه یابد. با این حال، او می گوید دنیای فیزیک به دست آوردن طیف ODMR در فشار Mbar "کار آسانی" نبود.
او می گوید: «چالش های فنی زیادی وجود دارد که باید بر آنها غلبه کنیم. یکی از موارد خاص این است که فشارهای بالا سیگنال فلورسانس NV را کاهش می دهد و فلورسانس پس زمینه اضافی را به همراه می آورد.
محققان با استفاده از مجموعه بزرگی از مراکز NV (~5 × 10) بر این مشکلات غلبه کردند.5 در یک میکروالماس واحد) و بهینه سازی راندمان جمع آوری نور سیستم آزمایشی آنها. اما نگرانی آنها به همین جا ختم نشد. آنها همچنین باید از یک گرادیان فشار زیاد روی حسگر اجتناب کنند، زیرا هر گونه ناهمگنی در توزیع فشار می‌تواند طیف OMDR را گسترش داده و کنتراست سیگنال را کاهش دهد.
برای مقابله با این چالش، ما برمید پتاسیم (KBr) را به عنوان محیط فشار انتخاب کردیم و حجم تشخیص را به حدود 1 um محدود کردیم.3لیو می گوید. ما با استفاده از این رویکرد توانستیم ODMR مراکز NV را در نزدیک به 140 GPa بدست آوریم.
او می افزاید که حداکثر فشار ممکن است حتی بیشتر باشد، زیرا تغییرات ناشی از فشار در سطوح انرژی در مراکز NV کمتر از حد انتظار بوده است. لیو می گوید: «چالش کلیدی برای دستیابی به این هدف، تولید فشارهای بالا با گرادیان فشار کم یا بدون فشار است. این ممکن است با استفاده از گاز نجیب به عنوان رسانه انتقال فشار امکان پذیر باشد.
سنسور گرادیان گرانش کوانتومی در فضای باز برای یافتن تونل استفاده می شود
به گفته لیو و همکارانش، این آزمایش‌ها نشان می‌دهد که می‌توان از مراکز NV به عنوان استفاده کرد در محل سنسورهای کوانتومی برای مطالعه خواص مغناطیسی مواد در فشار مبار یک مثال ممکن است بررسی اثر Meissner (حذف میدان مغناطیسی) در LaH باشد10 ، یک ابررسانا با دمای بالا که فقط در فشارهای بالای 160 گیگا پاسکال سنتز می شود.
اکنون محققان قصد دارند حسگرهای خود را بهینه کرده و حد فشار بالای آنها را تعیین کنند. آنها همچنین امیدوارند که حساسیت مغناطیسی خود را (با بهینه‌سازی راندمان جمع‌آوری فلورسانس) بهبود بخشند و طرح‌های سنجش چندوجهی را توسعه دهند - به عنوان مثال، اندازه‌گیری دما و میدان مغناطیسی به طور همزمان.
آنها به تفصیل مطالعه حاضر خود را در حروف فیزیک چینی.
