חיישנים קוונטיים המבוססים על פגמים מיקרוסקופיים במבנה הגבישי של היהלום יכולים לעבוד בלחצים של עד 140 ג'יגה-פסקל, על פי מחקר של פיזיקאים באקדמיה הסינית למדעים בבייג'ינג. הממצא קובע שיא עבור הלחץ התפעולי של חיישנים קוונטיים המבוססים על מה שנקרא מרכזי חנקן ריק (NV), ועמידותם החדשה עשויה להועיל למחקרים בפיזיקה של החומר המעובה ובגיאופיזיקה.
מרכזי NV מתרחשים כאשר שני אטומי פחמן שכנים ביהלום מוחלפים באטום חנקן ובאתר סריג ריק. הם פועלים כמו מגנטים קוונטיים זעירים עם ספינים שונים, וכאשר הם נרגשים בפולסי לייזר, ניתן להשתמש באות הפלורסנט שהם פולטים כדי לנטר שינויים קלים בתכונות המגנטיות של דגימת חומר קרובה. הסיבה לכך היא שעוצמת האות הנפלט של מרכז NV משתנה עם השדה המגנטי המקומי.
הבעיה היא שחיישנים כאלה הם שבירים ונוטים לא לעבוד בתנאים קשים. זה מקשה על השימוש בהם לחקר פנים כדור הארץ, היכן ששוררים לחצים של ג'יגפסקל (GPa), או חקירת חומרים כמו מוליכים הידרידיים, המיוצרים בלחצים גבוהים מאוד.
תהודה מגנטית מזוהה אופטית
בעבודה החדשה צוות בראשות גנג-צ'ין ליו של מרכז המחקר הלאומי של בייג'ינג לפיזיקת החומר המעובה ו המכון לפיזיקה, האקדמיה הסינית למדעים, התחילו ביצירת תא מיקרוסקופי בלחץ גבוה המכונה תא סדן יהלום שבו ניתן למקם את החיישנים שלהם, שהורכב מיהלומים מיקרוסקופיים המכילים אנסמבל של מרכזי NV. חיישנים מסוג זה פועלים הודות לטכניקה הנקראת תהודה מגנטית מזוהה אופטית (ODMR) שבה הדגימה מעוררת תחילה באמצעות לייזר (במקרה זה עם אורך גל של 532 ננומטר) ולאחר מכן מטופלת באמצעות פולסים של מיקרוגל. החוקרים יישמו את פעימות המיקרוגל באמצעות חוט פלטינה דק, החזק ללחצים גבוהים. השלב האחרון הוא למדוד את הקרינה הנפלטת.
"בניסוי שלנו, מדדנו תחילה את הפוטו-luminescence של מרכזי ה-NV בלחצים שונים", מסביר ליו. "ראינו פלואורסצנטיות בכמעט 100 GPa, תוצאה בלתי צפויה שהובילה אותנו לבצע מדידות ODMR עוקבות."
אנסמבל גדול של מרכזי NV במקום אחד
אמנם התוצאה הייתה הפתעה, אבל ליו מציין שסריג היהלום יציב מאוד ואינו עובר מעבר פאזה, אפילו בלחצים של 100 GPa (1Mbar, או כמעט פי מיליון מהלחץ האטמוספרי של כדור הארץ בגובה פני הים). ולמרות שלחצים גבוהים כאלה אכן משנים את רמות האנרגיה והמאפיינים האופטיים של מרכזי NV, קצב השינוי מואט בלחצים גבוהים יותר, מה שמאפשר לקרינה להימשך. למרות זאת, הוא מספר עולם הפיזיקה זו הייתה "משימה לא קלה" להשיג ספקטרום ODMR בלחצים של Mbar.
"יש הרבה אתגרים טכניים שעלינו להתגבר עליהם", הוא אומר. "אחד במיוחד הוא שלחצים גבוהים מפחיתים את אות הקרינה של NV ומביאים לקרינת רקע נוספת."
החוקרים התגברו על בעיות אלה על ידי שימוש במכלול גדול של מרכזי NV (~5 × 105 במיקרו-יהלום אחד) ואופטימיזציה של יעילות איסוף האור של מערכת הניסוי שלהם. אבל דאגותיהם לא הסתיימו שם. הם גם היו צריכים להימנע משיפוע לחץ גדול מעל החיישן, מכיוון שכל אי-הומוגניות בחלוקת הלחץ הייתה מרחיבה את ספקטרום ה-OMDR ומפחיתה את ניגודיות האות.
"כדי לעמוד באתגר הזה, בחרנו אשלגן ברומיד (KBr) כמדיום הלחץ והגבלנו את נפח הזיהוי לכ-1 אום3", אומר ליו. "הצלחנו להשיג ODMR של מרכזי NV בכמעט 140 GPa באמצעות גישה זו."
הלחץ המרבי עשוי להיות אפילו גבוה יותר, הוא מוסיף, מכיוון שהשינויים שנגרמו בלחץ של רמות האנרגיה במרכזי NV התבררו כקטנים מהצפוי. "האתגר המרכזי להשגת מטרה זו הוא לייצר לחצים גבוהים עם שיפוע לחץ קטן או ללא", אומר ליו. "ייתכן שזה אפשרי באמצעות גז אצילי כמדיום מעביר לחץ."
חיישן שיפוע כבידה קוונטי המשמש בחוץ כדי למצוא מנהרה
לדברי ליו ועמיתיו, ניסויים אלה מראים שניתן להשתמש במרכזי NV כ באתרו חיישנים קוונטיים לחקר התכונות המגנטיות של חומרים בלחצי Mbar. דוגמה אחת יכולה להיות בדיקה של אפקט מייסנר (אי הכללת שדה מגנטי) ב-LaH10 , מוליך-על בטמפרטורה גבוהה שניתן לסנתז רק בלחצים מעל 160 GPa.
החוקרים מתכננים כעת לייעל את החיישנים שלהם ולקבוע את גבול הלחץ הגבוה שלהם. הם גם מקווים לשפר את הרגישות המגנטית שלהם (על ידי אופטימיזציה של יעילות איסוף הקרינה) ולפתח תוכניות חישה רב-מודאליות - למשל, מדידת טמפרטורה ושדה מגנטי בו-זמנית.
הם מפרטים את המחקר הנוכחי שלהם ב מכתבי פיזיקה סינית.
