क्वांटम सेंसर रिकॉर्ड-उच्च दबावों पर जीवित रहता है

बीजिंग में चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज के भौतिकविदों के शोध के अनुसार, हीरे की क्रिस्टलीय संरचना में सूक्ष्म दोषों पर आधारित क्वांटम सेंसर 140 गीगापास्कल के उच्च दबाव पर काम कर सकते हैं। खोज तथाकथित नाइट्रोजन रिक्ति (एनवी) केंद्रों के आधार पर क्वांटम सेंसर के परिचालन दबाव के लिए एक रिकॉर्ड स्थापित करती है, और उनकी नई स्थायित्व संघनित पदार्थ भौतिकी और भूभौतिकी में अध्ययन को लाभ पहुंचा सकती है।

एनवी केंद्र तब होते हैं जब हीरे में दो पड़ोसी कार्बन परमाणुओं को नाइट्रोजन परमाणु और एक खाली जाली साइट से बदल दिया जाता है। वे अलग-अलग स्पिन के साथ छोटे क्वांटम मैग्नेट की तरह काम करते हैं, और जब लेजर दालों से उत्साहित होते हैं, तो उनके द्वारा उत्सर्जित फ्लोरोसेंट सिग्नल का उपयोग सामग्री के पास के नमूने के चुंबकीय गुणों में मामूली बदलाव की निगरानी के लिए किया जा सकता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि उत्सर्जित एनवी केंद्र संकेत की तीव्रता स्थानीय चुंबकीय क्षेत्र के साथ बदलती है।

समस्या यह है कि ऐसे सेंसर नाजुक होते हैं और कठोर परिस्थितियों में काम नहीं करते हैं। इससे उन्हें पृथ्वी के इंटीरियर का अध्ययन करने के लिए उपयोग करना मुश्किल हो जाता है, जहां गिगापास्कल (जीपीए) दबाव प्रबल होता है, या हाइड्राइड सुपरकंडक्टर्स जैसी जांच सामग्री, जो बहुत अधिक दबावों पर गढ़े जाते हैं।

वैकल्पिक रूप से चुंबकीय अनुनाद का पता चला

नए काम में, के नेतृत्व में एक टीम गिरोह-किन लियू का संघनित पदार्थ भौतिकी के लिए बीजिंग राष्ट्रीय अनुसंधान केंद्र और भौतिकी संस्थान, चीनी विज्ञान अकादमी, एक सूक्ष्म उच्च दबाव वाले कक्ष का निर्माण करके शुरू हुआ, जिसे डायमंड एनविल सेल के रूप में जाना जाता है, जिसमें उनके सेंसर लगाए जाते हैं, जिसमें माइक्रोडायमंड्स शामिल होते हैं जिनमें एनवी केंद्रों का एक समूह होता है। ऑप्टिकली डिटेक्टेड मैग्नेटिक रेजोनेंस (ODMR) नामक तकनीक के कारण इस प्रकार के सेंसर काम करते हैं, जिसमें सैंपल को पहले लेज़र (इस मामले में 532 एनएम के तरंग दैर्ध्य के साथ) का उपयोग करके उत्तेजित किया जाता है और फिर माइक्रोवेव दालों के माध्यम से हेरफेर किया जाता है। शोधकर्ताओं ने एक पतली प्लेटिनम तार का उपयोग करके माइक्रोवेव दालों को लगाया, जो उच्च दबावों के लिए मजबूत है। अंतिम चरण उत्सर्जित प्रतिदीप्ति को मापना है।

"हमारे प्रयोग में, हमने पहले विभिन्न दबावों के तहत एनवी केंद्रों की फोटोल्यूमिनेसेंस को माप लिया," लियू बताते हैं। "हमने लगभग 100 जीपीए पर फ्लोरोसेंस देखा, एक अप्रत्याशित परिणाम जिसने हमें बाद में ओडीएमआर माप करने के लिए प्रेरित किया।"

एक स्थान पर एनवी केंद्रों का एक बड़ा पहनावा

जबकि परिणाम कुछ आश्चर्यजनक था, लियू ने नोट किया कि हीरे की जाली बहुत स्थिर है और 100 GPa (1Mbar, या समुद्र के स्तर पर पृथ्वी के वायुमंडलीय दबाव का लगभग 1 मिलियन गुना) के दबाव पर भी कोई चरण संक्रमण नहीं होता है। और जब इस तरह के उच्च दबाव एनवी केंद्रों के ऊर्जा स्तर और ऑप्टिकल गुणों को संशोधित करते हैं, तो संशोधन दर उच्च दबावों पर धीमी हो जाती है, जिससे प्रतिदीप्ति बनी रहती है। फिर भी वह बताते हैं भौतिकी की दुनिया Mbar दबावों पर ODMR स्पेक्ट्रा प्राप्त करना "कोई आसान काम नहीं" था।

"कई तकनीकी चुनौतियां हैं जिन्हें हमें दूर करना है," वे कहते हैं। "विशेष रूप से एक यह है कि उच्च दबाव NV प्रतिदीप्ति संकेत को कम करते हैं और अतिरिक्त पृष्ठभूमि प्रतिदीप्ति लाते हैं।"

शोधकर्ताओं ने एनवी केंद्रों (~5 × 10⁵ एक एकल माइक्रोडायमंड में) और उनके प्रायोगिक प्रणाली की प्रकाश-संग्रह दक्षता का अनुकूलन। लेकिन उनकी चिंता यहीं खत्म नहीं हुई। उन्हें सेंसर पर एक बड़े दबाव प्रवणता से बचने की भी आवश्यकता थी, क्योंकि दबाव वितरण में किसी भी तरह की असमानता ने OMDR स्पेक्ट्रा को चौड़ा कर दिया होगा और सिग्नल कंट्रास्ट को कम कर दिया होगा।

"इस चुनौती को पूरा करने के लिए, हमने पोटेशियम ब्रोमाइड (केबीआर) को दबाव माध्यम के रूप में चुना और पता लगाने की मात्रा को लगभग 1 उम तक सीमित कर दिया³लियू कहते हैं। "हम इस दृष्टिकोण का उपयोग करके लगभग 140 जीपीए पर एनवी केंद्रों के ओडीएमआर प्राप्त करने में सक्षम थे।"

अधिकतम दबाव और भी अधिक हो सकता है, वह कहते हैं, क्योंकि एनवी केंद्रों में ऊर्जा के स्तर के दबाव-प्रेरित संशोधन अपेक्षा से कम हो गए हैं। लियू कहते हैं, "इस लक्ष्य को हासिल करने की मुख्य चुनौती छोटे या बिना दबाव वाले उच्च दबाव का उत्पादन करना है।" "दबाव-संचारण माध्यम के रूप में नोबल गैस का उपयोग करना संभव हो सकता है।"

लियू और उनके सहयोगियों के अनुसार, इन प्रयोगों से पता चलता है कि एनवी केंद्रों का इस्तेमाल किया जा सकता है साइट पर Mbar दबावों पर सामग्री के चुंबकीय गुणों का अध्ययन करने के लिए क्वांटम सेंसर। एक उदाहरण एलएएच में मीस्नर प्रभाव (चुंबकीय क्षेत्र अपवर्जन) की जांच करना हो सकता है₁₀ , एक उच्च तापमान सुपरकंडक्टर जिसे केवल 160 जीपीए से ऊपर के दबावों पर संश्लेषित किया जा सकता है।

शोधकर्ता अब अपने सेंसर को अनुकूलित करने और उनकी उच्च दबाव सीमा निर्धारित करने की योजना बना रहे हैं। वे अपनी चुंबकीय संवेदनशीलता (फ्लोरेसेंस संग्रह दक्षता को अनुकूलित करके) में सुधार करने और बहु-मोडल सेंसिंग योजनाओं को विकसित करने की भी उम्मीद करते हैं - उदाहरण के लिए, तापमान और चुंबकीय क्षेत्र को एक साथ मापना।

वे में अपने वर्तमान अध्ययन का विवरण देते हैं चीनी भौतिकी के पत्र.