Pekingin Kiinan tiedeakatemian fyysikkojen tutkimuksen mukaan kvanttianturit, jotka perustuvat timantin kiderakenteen mikroskooppisiin virheisiin, voivat toimia jopa 140 gigapascalin paineissa. Löytö asettaa ennätyksen niin kutsuttuihin typen tyhjiin (NV) keskuksiin perustuvien kvanttianturien käyttöpaineelle, ja niiden uusi kestävyys voisi hyödyttää kondensoituneen aineen fysiikan ja geofysiikan tutkimuksia.
NV-keskukset syntyvät, kun kaksi vierekkäistä hiiliatomia timantissa korvataan typpiatomilla ja tyhjällä hilapaikalla. Ne toimivat kuin pienet kvanttimagneetit, joilla on eri spinejä, ja laserpulsseilla viritettynä niiden lähettämää fluoresoivaa signaalia voidaan käyttää seuraamaan pieniä muutoksia lähellä olevan materiaalinäytteen magneettisissa ominaisuuksissa. Tämä johtuu siitä, että lähetetyn NV-keskussignaalin intensiteetti muuttuu paikallisen magneettikentän mukaan.
Ongelmana on, että tällaiset anturit ovat hauraita eivätkä yleensä toimi ankarissa olosuhteissa. Tämä tekee niiden käyttämisestä vaikeaa tutkia maan sisäosia, joissa vallitsee gigapascal-paine (GPa), tai tutkia materiaaleja, kuten hydridisuprajohteita, jotka valmistetaan erittäin korkeissa paineissa.
Optisesti havaittu magneettinen resonanssi
Uudessa työssä johtama tiimi Gang-Qin Liu että Pekingin kansallinen kondensoituneen aineen fysiikan tutkimuskeskus ja Fysiikan instituutti, Kiinan tiedeakatemia, aloitti luomalla mikroskooppisen korkeapainekammion, joka tunnetaan nimellä timanttialasin kenno, johon sijoitettiin anturinsa, joka koostui mikrotimanteista, jotka sisältävät joukon NV-keskuksia. Tämän tyyppiset anturit toimivat optisesti ilmaistun magneettiresonanssin (ODMR) tekniikan ansiosta, jossa näyte ensin viritetään laserilla (tässä tapauksessa aallonpituudella 532 nm) ja sitten manipuloidaan mikroaaltopulsseilla. Tutkijat käyttivät mikroaaltopulsseja ohuella platinalangalla, joka kestää korkeita paineita. Viimeinen vaihe on mitata emittoitu fluoresenssi.
"Kokeessamme mitattiin ensin NV-keskusten fotoluminesenssi eri paineissa", Liu selittää. "Havaitsimme fluoresenssia lähes 100 GPa:lla, mikä oli odottamaton tulos, joka sai meidät suorittamaan seuraavat ODMR-mittaukset."
Suuri kokonaisuus NV-keskuksia yhdessä paikassa
Vaikka tulos oli jonkinlainen yllätys, Liu huomauttaa, että timanttihila on erittäin vakaa eikä käy läpi faasimuutosta edes 100 GPa:n paineissa (1 Mbar eli lähes miljoona kertaa Maan ilmanpaine merenpinnan tasolla). Ja vaikka tällaiset korkeat paineet muokkaavat NV-keskusten energiatasoja ja optisia ominaisuuksia, muutosnopeus hidastuu korkeammissa paineissa, mikä mahdollistaa fluoresenssin säilymisen. Siitä huolimatta hän kertoo Fysiikan maailma se ei ollut "helppo tehtävä" saada ODMR-spektrit Mbar-paineilla.
"Meillä on monia teknisiä haasteita, jotka meidän on voitettava", hän sanoo. "Erityinen on se, että korkeat paineet vähentävät NV-fluoresenssisignaalia ja tuovat ylimääräistä taustafluoresenssia."
Tutkijat voittivat nämä ongelmat käyttämällä suurta NV-keskusten kokonaisuutta (~ 5 × 105 yhdessä mikrotimantissa) ja optimoimalla kokeellisen järjestelmänsä valonkeräystehokkuutta. Mutta heidän huolensa eivät päättyneet siihen. Heidän oli myös vältettävä suurta painegradienttia anturin yli, koska mikä tahansa epähomogeenisuus paineen jakautumisessa olisi laajentanut OMDR-spektrejä ja heikentänyt signaalin kontrastia.
"Tämän haasteen täyttämiseksi valitsimme paineväliaineeksi kaliumbromidin (KBr) ja rajoitimme havaitsemistilavuuden noin 1 um:iin.3”, Liu sanoo. "Tällä menetelmällä pystyimme saamaan NV-keskusten ODMR:n lähes 140 GPa:lla."
Maksimipaine voi olla jopa korkeampi, hän lisää, koska paineen aiheuttamat energiatasojen muutokset NV-keskuksissa osoittautuivat odotettua pienemmiksi. "Tämän tavoitteen saavuttamisen tärkein haaste on tuottaa korkeita paineita pienellä tai ilman painegradienttia", Liu sanoo. "Tämä saattaa olla mahdollista käyttämällä jalokaasua painetta välittävänä väliaineena."
Kvanttigradienttisensori, jota käytetään ulkona tunnelin etsimiseen
Liun ja kollegoiden mukaan nämä kokeet osoittavat, että NV-keskuksia voitaisiin käyttää on-site kvanttianturit materiaalien magneettisten ominaisuuksien tutkimiseen Mbar-paineissa. Yksi esimerkki voisi olla Meissner-ilmiön (magneettikentän poissulkeminen) tutkiminen LaH:ssa10 , korkean lämpötilan suprajohde, joka voidaan syntetisoida vain yli 160 GPa:n paineissa.
Tutkijat aikovat nyt optimoida anturinsa ja määrittää niiden korkeapainerajan. He toivovat myös parantavansa magneettista herkkyyttään (optimoimalla fluoresenssin keräystehokkuutta) ja kehittävänsä multimodaalisia tunnistusjärjestelmiä – esimerkiksi lämpötilan ja magneettikentän mittaamisen samanaikaisesti.
He yksityiskohtaisesti nykyisen tutkimuksensa Kiinan fysiikan kirjeet.
