Sensor kuantum berdasarkan cacat mikroskopis dalam struktur kristal intan dapat bekerja pada tekanan setinggi 140 gigapascal, menurut penelitian fisikawan di Chinese Academy of Sciences di Beijing. Temuan ini menetapkan rekor untuk tekanan pengoperasian sensor kuantum berdasarkan apa yang disebut pusat kekosongan nitrogen (NV), dan daya tahannya yang baru ditemukan dapat bermanfaat bagi studi dalam fisika dan geofisika benda terkondensasi.
Pusat NV terjadi ketika dua atom karbon yang berdekatan dalam berlian digantikan oleh atom nitrogen dan situs kisi kosong. Mereka bertindak seperti magnet kuantum kecil dengan putaran berbeda, dan ketika bersemangat dengan pulsa laser, sinyal fluoresen yang dipancarkannya dapat digunakan untuk memantau sedikit perubahan sifat magnetik dari sampel material terdekat. Ini karena intensitas sinyal pusat NV yang dipancarkan berubah dengan medan magnet lokal.
Masalahnya adalah sensor semacam itu rapuh dan cenderung tidak bekerja dalam kondisi yang keras. Ini membuatnya sulit untuk menggunakannya untuk mempelajari bagian dalam bumi, di mana tekanan gigapascal (GPa) berlaku, atau menyelidiki bahan seperti superkonduktor hidrida, yang dibuat pada tekanan yang sangat tinggi.
Resonansi magnetik yang terdeteksi secara optik
Dalam pekerjaan baru, sebuah tim yang dipimpin oleh Gang-Qin Liu dari Pusat Penelitian Nasional Beijing untuk Fisika Benda Terkondensasi dan Institut Fisika, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, dimulai dengan membuat ruang mikroskopis bertekanan tinggi yang dikenal sebagai sel landasan berlian untuk menempatkan sensor mereka, yang terdiri dari mikrodiamond yang berisi ansambel pusat NV. Sensor jenis ini bekerja berkat teknik yang disebut optically detected magnetic resonance (ODMR) di mana sampel pertama kali dieksitasi menggunakan laser (dalam hal ini dengan panjang gelombang 532 nm) dan kemudian dimanipulasi melalui gelombang mikro. Para peneliti menerapkan pulsa gelombang mikro menggunakan kawat platina tipis, yang tahan terhadap tekanan tinggi. Langkah terakhir adalah mengukur fluoresensi yang dipancarkan.
“Dalam percobaan kami, pertama-tama kami mengukur fotoluminesensi pusat NV di bawah tekanan yang berbeda,” jelas Liu. “Kami mengamati fluoresensi pada hampir 100 GPa, hasil tak terduga yang mengarahkan kami untuk melakukan pengukuran ODMR berikutnya.”
Ansambel besar pusat NV di satu tempat
Meskipun hasilnya mengejutkan, Liu mencatat bahwa kisi intan sangat stabil dan tidak mengalami transisi fase, bahkan pada tekanan 100 GPa (1Mbar, atau hampir 1 juta kali tekanan atmosfer Bumi di permukaan laut). Dan sementara tekanan tinggi seperti itu mengubah tingkat energi dan sifat optik pusat NV, laju modifikasi melambat pada tekanan yang lebih tinggi, memungkinkan fluoresensi bertahan. Meski begitu, dia memberi tahu Dunia Fisika itu "bukan tugas yang mudah" untuk mendapatkan spektrum ODMR pada tekanan Mbar.
“Ada banyak tantangan teknis yang harus kami atasi,” katanya. “Salah satunya adalah bahwa tekanan tinggi menurunkan sinyal fluoresensi NV dan membawa fluoresensi latar belakang tambahan.”
Para peneliti mengatasi masalah ini dengan menggunakan ansambel besar pusat NV (~5 × 105 dalam satu microdiamond tunggal) dan mengoptimalkan efisiensi pengumpulan cahaya dari sistem eksperimental mereka. Tapi kekhawatiran mereka tidak berakhir di situ. Mereka juga perlu menghindari gradien tekanan yang besar di atas sensor, karena setiap ketidakhomogenan dalam distribusi tekanan akan memperluas spektrum OMDR dan menurunkan kontras sinyal.
“Untuk memenuhi tantangan ini, kami memilih potasium bromida (KBr) sebagai media tekanan dan membatasi volume deteksi sekitar 1 um.3, ”kata Liu. “Kami dapat memperoleh ODMR pusat NV di hampir 140 GPa menggunakan pendekatan ini.”
Tekanan maksimum mungkin bahkan lebih tinggi, tambahnya, karena modifikasi tingkat energi yang diinduksi tekanan di pusat NV ternyata lebih kecil dari yang diharapkan. “Tantangan utama untuk mencapai tujuan ini adalah menghasilkan tekanan tinggi dengan sedikit atau tanpa gradien tekanan,” kata Liu. “Ini dimungkinkan dengan menggunakan gas mulia sebagai media transmisi tekanan.”
Sensor gradien gravitasi kuantum digunakan di luar ruangan untuk menemukan terowongan
Menurut Liu dan rekannya, percobaan ini menunjukkan bahwa pusat NV dapat digunakan sebagai di tempat sensor kuantum untuk mempelajari sifat magnetik material pada tekanan Mbar. Salah satu contohnya mungkin untuk menyelidiki efek Meissner (pengecualian medan magnet) di LaH10 , superkonduktor suhu tinggi yang hanya dapat disintesis pada tekanan di atas 160 GPa.
Para peneliti sekarang berencana untuk mengoptimalkan sensor mereka dan menentukan batas tekanan tinggi mereka. Mereka juga berharap untuk meningkatkan sensitivitas magnetik mereka (dengan mengoptimalkan efisiensi pengumpulan fluoresensi) dan mengembangkan skema penginderaan multi-modal – misalnya, mengukur suhu dan medan magnet secara bersamaan.
Mereka merinci studi mereka saat ini Sastra Fisika Cina.
