A pekingi Kínai Tudományos Akadémia fizikusainak kutatása szerint a gyémánt kristályszerkezetének mikroszkopikus hibáin alapuló kvantumérzékelők akár 140 gigapascal nyomáson is működhetnek. A felfedezés rekordot dönt az úgynevezett nitrogén üresedési (NV) központokon alapuló kvantumérzékelők üzemi nyomásában, és újonnan felfedezett tartósságuk hasznos lehet a kondenzáltanyag-fizikai és geofizikai tanulmányok számára.
Az NV-központok akkor keletkeznek, amikor a gyémántban két szomszédos szénatomot nitrogénatommal és egy üres rácshellyel helyettesítenek. Különböző pörgésű, apró kvantummágnesekként működnek, és lézerimpulzusokkal gerjesztve az általuk kibocsátott fluoreszcens jel segítségével nyomon követhető a közeli anyagminta mágneses tulajdonságainak enyhe változása. Ennek az az oka, hogy a kibocsátott NV középső jel intenzitása a helyi mágneses térrel együtt változik.
A probléma az, hogy az ilyen érzékelők törékenyek, és általában nem működnek zord körülmények között. Ez megnehezíti a felhasználásukat a Föld belsejének tanulmányozására, ahol gigapascal (GPa) nyomás uralkodik, vagy olyan anyagok vizsgálatára, mint a hidrid szupravezetők, amelyeket nagyon magas nyomáson gyártanak.
Optikailag detektált mágneses rezonancia
Az új munkában egy csapat vezette Gang-Qin Liu az Pekingi Nemzeti Kondenzált Anyagfizikai Kutatóközpont és a Fizikai Intézet, Kínai Tudományos Akadémia, egy mikroszkopikus nagynyomású kamra létrehozásával kezdődött, amelyet gyémánt üllőcellának neveznek, amelyben elhelyezték az érzékelőket, amelyek mikrogyémántokból állnak, amelyek NV-központok együttesét tartalmazzák. Az ilyen típusú érzékelők az optikailag detektált mágneses rezonancia (ODMR) technikának köszönhetően működnek, amelyben a mintát először lézerrel gerjesztik (jelen esetben 532 nm hullámhosszal), majd mikrohullámú impulzusokkal manipulálják. A kutatók a mikrohullámú impulzusokat vékony platinahuzal segítségével alkalmazták, amely ellenáll a magas nyomásnak. Az utolsó lépés a kibocsátott fluoreszcencia mérése.
„Kísérletünkben először az NV-központok fotolumineszcenciáját mértük meg különböző nyomásokon” – magyarázza Liu. "Közel 100 GPa-nál figyeltük meg a fluoreszcenciát, ami egy váratlan eredmény, ami miatt további ODMR méréseket végeztünk."
NV-központok nagy együttese egy helyen
Bár az eredmény meglepő volt, Liu megjegyzi, hogy a gyémántrács nagyon stabil, és nem megy át fázisátalakuláson, még 100 GPa (1 Mbar, vagyis a Föld légköri nyomásának tengerszinti nyomásának közel 1 milliószorosa) nyomáson sem. És bár az ilyen magas nyomások módosítják az NV-központok energiaszintjét és optikai tulajdonságait, a módosítási sebesség magasabb nyomáson lelassul, lehetővé téve a fluoreszcencia fennmaradását. Ennek ellenére elmondja Fizika Világa nem volt könnyű feladat az ODMR spektrumokat Mbar nyomáson megszerezni.
„Sok technikai kihívást kell leküzdenünk” – mondja. "Az egyik különösen az, hogy a nagy nyomás csökkenti az NV fluoreszcencia jelet, és extra háttér fluoreszcenciát hoz."
A kutatók ezeket a problémákat az NV-központok nagy együttesének (~5 × 105 egyetlen mikrogyémántban) és optimalizálják kísérleti rendszerük fénygyűjtési hatékonyságát. Aggodalmaik azonban ezzel nem értek véget. Emellett el kellett kerülniük a nagy nyomásgradienst az érzékelő felett, mivel a nyomáseloszlás bármely inhomogenitása kiszélesítette volna az OMDR spektrumokat és rontotta volna a jel kontrasztját.
„E kihívásnak való megfeleléshez a kálium-bromidot (KBr) választottuk nyomásközegként, és a detektálási térfogatot körülbelül 1 um-ra korlátoztuk.3– mondja Liu. "Ezzel a módszerrel közel 140 GPa-nál sikerült megszereznünk az NV-központok ODMR-jét."
A maximális nyomás még magasabb is lehet, teszi hozzá, mivel az NV-központokban az energiaszintek nyomás által kiváltott változásai a vártnál kisebbnek bizonyultak. „A fő kihívás e cél eléréséhez az, hogy nagy nyomást állítsunk elő kis nyomásgradienssel vagy anélkül” – mondja Liu. "Ez lehetséges lehet nemesgázzal nyomásátvivő közegként."
Kvantum gravitációs gradiens érzékelő, amelyet kültéren használnak alagút keresésére
Liu és munkatársai szerint ezek a kísérletek azt mutatják, hogy az NV központok használhatók in situ kvantumérzékelők anyagok mágneses tulajdonságainak tanulmányozására Mbar nyomáson. Egy példa lehet a Meissner-effektus (mágneses tér kizárása) vizsgálata LaH-ban10 , egy magas hőmérsékletű szupravezető, amely csak 160 GPa feletti nyomáson szintetizálható.
A kutatók most azt tervezik, hogy optimalizálják érzékelőiket, és meghatározzák a nagynyomású határértéküket. Azt is remélik, hogy javítják mágneses érzékenységüket (a fluoreszcencia gyűjtési hatékonyságának optimalizálásával), és multimodális érzékelési sémákat dolgoznak ki – például a hőmérséklet és a mágneses mező egyidejű mérését.
Ebben részletezik jelen tanulmányukat Kínai fizika levelek.
