北京の中国科学院の物理学者による研究によると、ダイヤモンドの結晶構造の微視的な欠陥に基づく量子センサーは、140 ギガパスカルもの高い圧力で動作することができます。 この発見は、いわゆる窒素空孔 (NV) センターに基づく量子センサーの動作圧力の記録を樹立し、それらの新たに発見された耐久性は、凝縮物質物理学および地球物理学の研究に役立つ可能性があります。
NV 中心は、ダイヤモンドの隣接する XNUMX つの炭素原子が窒素原子と空の格子サイトに置き換えられたときに発生します。 それらは異なるスピンを持つ小さな量子磁石のように機能し、レーザーパルスで励起されると、それらが放出する蛍光信号を使用して、近くの材料サンプルの磁気特性のわずかな変化を監視できます。 これは、放射される NV センター信号の強度が局所磁場によって変化するためです。
問題は、そのようなセンサーが壊れやすく、過酷な条件では機能しない傾向があることです。 このため、ギガパスカル (GPa) の圧力が支配する地球内部の研究や、非常に高い圧力で製造される水素化物超伝導体などの材料の調査にそれらを使用することは困難です。
光学的に検出された磁気共鳴
新作では、 ギャング・チン・リウ 北京国立凝縮物質物理学研究センター & 中国科学院物理学研究所、NVセンターの集合体を含むマイクロダイヤモンドで構成されたセンサーを配置するダイヤモンドアンビルセルとして知られる微視的な高圧チャンバーを作成することから始めました。 このタイプのセンサーは、最初にレーザー (この場合は 532 nm の波長) を使用してサンプルを励起し、次にマイクロ波パルスを介して操作する、光学的に検出された磁気共鳴 (ODMR) と呼ばれる技術のおかげで機能します。 研究者は、高圧に強い薄い白金線を使用してマイクロ波パルスを適用しました。 最後のステップは、放出された蛍光を測定することです。
「私たちの実験では、最初にさまざまな圧力下で NV センターのフォトルミネッセンスを測定しました」と Liu 氏は説明します。 「我々はほぼ 100 GPa で蛍光を観測しました。これは予想外の結果であり、その後の ODMR 測定を行うことになりました。」
NV センターの大規模な集合体が XNUMX か所に
結果はちょっとした驚きでしたが、Liu は、ダイヤモンド格子は非常に安定しており、100 GPa (1 Mbar、または海面での地球の大気圧のほぼ 1 万倍) の圧力でも相転移を起こさないことに注目しています。 そして、そのような高圧はNV中心のエネルギーレベルと光学特性を変更しますが、変更速度は圧力が高くなると遅くなり、蛍光が持続します. それでも彼は言う 物理学の世界 Mbar の圧力で ODMR スペクトルを取得するのは「簡単な作業」ではありませんでした。
「克服しなければならない多くの技術的課題があります」と彼は言います。 「特に XNUMX つは、高圧が NV 蛍光シグナルを減少させ、余分なバックグラウンド蛍光をもたらすことです。」
研究者は、NV センターの大規模な集合 (~5 × 105 単一のマイクロダイヤモンドで) 実験システムの集光効率を最適化します。 しかし、彼らの心配はそれだけではありませんでした。 また、圧力分布に不均一性があると OMDR スペクトルが広がり、信号のコントラストが低下するため、センサー全体に大きな圧力勾配が生じないようにする必要がありました。
「この課題に対応するために、圧力媒体として臭化カリウム (KBr) を選択し、検出ボリュームを約 1 um に制限しました。3」とリューは言います。 「このアプローチを使用して、約 140 GPa で NV センターの ODMR を取得することができました。」
圧力による NV センターのエネルギー準位の変化が予想よりも小さいことが判明したため、最大圧力はさらに高くなる可能性がある、と彼は付け加えた。 「この目標を達成するための重要な課題は、圧力勾配が小さい、または圧力勾配がない状態で高圧を生成することです」と Liu 氏は言います。 「これは、希ガスを圧力伝達媒体として使用することで可能になるかもしれません。」
トンネルを見つけるために屋外で使用される量子重力勾配センサー
Liu と同僚によると、これらの実験は、NV センターを次のように使用できることを示しています。 現場の Mbar圧力での材料の磁気特性を研究するための量子センサー。 一例として、LaH のマイスナー効果 (磁場排除) を調べることが考えられます。10 、160 GPaを超える圧力でのみ合成できる高温超伝導体。
研究者は現在、センサーを最適化し、高圧限界を決定することを計画しています。 彼らはまた、(蛍光収集効率を最適化することによって) 磁気感度を向上させ、温度と磁場を同時に測定するなど、マルチモーダルセンシングスキームを開発したいと考えています。
彼らは現在の研究を詳述しています 中国の物理学の手紙.
