I sensori quantistici basati su difetti microscopici nella struttura cristallina del diamante possono funzionare a pressioni fino a 140 gigapascal, secondo una ricerca dei fisici dell'Accademia cinese delle scienze di Pechino. La scoperta stabilisce un record per la pressione operativa dei sensori quantistici basati sui cosiddetti centri di vacanza dell'azoto (NV) e la loro nuova durabilità potrebbe giovare agli studi di fisica della materia condensata e geofisica.
I centri NV si verificano quando due atomi di carbonio vicini nel diamante vengono sostituiti da un atomo di azoto e da un sito reticolare vuoto. Agiscono come minuscoli magneti quantistici con spin diversi e, se eccitati con impulsi laser, il segnale fluorescente che emettono può essere utilizzato per monitorare lievi cambiamenti nelle proprietà magnetiche di un campione di materiale nelle vicinanze. Questo perché l'intensità del segnale del centro NV emesso cambia con il campo magnetico locale.
Il problema è che tali sensori sono fragili e tendono a non funzionare in condizioni difficili. Ciò rende difficile utilizzarli per studiare l'interno della Terra, dove prevalgono le pressioni gigapascal (GPa), o per studiare materiali come i superconduttori a idruro, che sono fabbricati a pressioni molto elevate.
Risonanza magnetica rilevata otticamente
Nel nuovo lavoro, un team guidato da Gang Qin Liu della Centro di ricerca nazionale di Pechino per la fisica della materia condensata ed Istituto di Fisica, Accademia Cinese delle Scienze, ha iniziato creando una microscopica camera ad alta pressione nota come cella a incudine di diamante in cui posizionare i sensori, che consisteva in microdiamanti che contengono un insieme di centri NV. Sensori di questo tipo funzionano grazie a una tecnica chiamata risonanza magnetica rilevata otticamente (ODMR) in cui il campione viene prima eccitato mediante un laser (in questo caso con una lunghezza d'onda di 532 nm) e poi manipolato tramite impulsi a microonde. I ricercatori hanno applicato gli impulsi a microonde utilizzando un sottile filo di platino, resistente alle alte pressioni. Il passaggio finale consiste nel misurare la fluorescenza emessa.
«Nel nostro esperimento, abbiamo prima misurato la fotoluminescenza dei centri NV sotto diverse pressioni», spiega Liu. «Abbiamo osservato la fluorescenza a quasi 100 GPa, un risultato inaspettato che ci ha portato a eseguire successive misurazioni ODMR».
Un grande insieme di centri NV in un unico punto
Sebbene il risultato sia stato qualcosa di sorprendente, Liu osserva che il reticolo del diamante è molto stabile e non subisce alcuna transizione di fase, anche a pressioni di 100 GPa (1 Mbar, o quasi 1 milione di volte la pressione atmosferica terrestre a livello del mare). E mentre pressioni così elevate modificano i livelli di energia e le proprietà ottiche dei centri NV, il tasso di modifica rallenta a pressioni più elevate, consentendo alla fluorescenza di persistere. Anche così, racconta Mondo della fisica non era "un compito facile" ottenere spettri ODMR a pressioni Mbar.
"Ci sono molte sfide tecniche che dobbiamo superare", afferma. "Uno in particolare è che le alte pressioni riducono il segnale di fluorescenza NV e portano una fluorescenza di fondo extra".
I ricercatori hanno superato questi problemi utilizzando un ampio insieme di centri NV (~ 5 × 105 in un singolo microdiamante) e ottimizzando l'efficienza di raccolta della luce del loro sistema sperimentale. Ma le loro preoccupazioni non sono finite qui. Avevano anche bisogno di evitare un ampio gradiente di pressione sul sensore, poiché qualsiasi disomogeneità nella distribuzione della pressione avrebbe ampliato gli spettri OMDR e degradato il contrasto del segnale.
“Per affrontare questa sfida, abbiamo scelto il bromuro di potassio (KBr) come mezzo di pressione e limitato il volume di rilevamento a circa 1 um3”, dice Liu. "Siamo stati in grado di ottenere ODMR dei centri NV a quasi 140 GPa utilizzando questo approccio."
La pressione massima potrebbe essere anche più alta, aggiunge, poiché le modifiche indotte dalla pressione dei livelli di energia nei centri NV si sono rivelate inferiori al previsto. "La sfida principale per raggiungere questo obiettivo è produrre pressioni elevate con un gradiente di pressione ridotto o nullo", afferma Liu. "Questo potrebbe essere possibile utilizzando il gas nobile come mezzo di trasmissione della pressione".
Sensore di gradiente di gravità quantistico utilizzato all'aperto per trovare il tunnel
Secondo Liu e colleghi, questi esperimenti mostrano che i centri NV potrebbero essere usati come on-site sensori quantistici per lo studio delle proprietà magnetiche dei materiali a pressioni Mbar. Un esempio potrebbe essere sondare l'effetto Meissner (esclusione del campo magnetico) in LaH10 , un superconduttore ad alta temperatura che può essere sintetizzato solo a pressioni superiori a 160 GPa.
I ricercatori ora pianificano di ottimizzare i loro sensori e determinare il loro limite di alta pressione. Sperano anche di migliorare la loro sensibilità magnetica (ottimizzando l'efficienza di raccolta della fluorescenza) e di sviluppare schemi di rilevamento multimodali, ad esempio la misurazione simultanea della temperatura e del campo magnetico.
Dettagliano il loro presente studio in Lettere cinesi di fisica.
