베이징에 있는 중국과학원 물리학자들의 연구에 따르면 다이아몬드 결정 구조의 미세한 결함을 기반으로 하는 양자 센서는 140기가파스칼의 높은 압력에서 작동할 수 있습니다. 이 발견은 소위 질소 공공(NV) 센터를 기반으로 하는 양자 센서의 작동 압력에 대한 기록을 세웠으며 새로 발견된 내구성은 응축 물질 물리학 및 지구 물리학 연구에 도움이 될 수 있습니다.
NV 센터는 다이아몬드의 인접한 두 탄소 원자가 질소 원자와 빈 격자 사이트로 대체될 때 발생합니다. 그들은 스핀이 다른 작은 양자 자석처럼 작동하며 레이저 펄스로 여기되면 방출하는 형광 신호를 사용하여 근처 물질 샘플의 자기 특성의 미세한 변화를 모니터링할 수 있습니다. 이는 방출된 NV 센터 신호의 강도가 로컬 자기장에 따라 변경되기 때문입니다.
문제는 이러한 센서가 깨지기 쉽고 열악한 조건에서 작동하지 않는 경향이 있다는 것입니다. 이로 인해 기가파스칼(GPa) 압력이 만연한 지구 내부를 연구하거나 매우 높은 압력에서 제조되는 수소화물 초전도체와 같은 물질을 조사하는 데 사용하기가 어렵습니다.
광학적으로 감지된 자기 공명
이번 신작에서는 팀이 이끄는 리우 강친 의 응축 물질 물리학을 위한 베이징 국립 연구 센터 과 중국과학원 물리학연구소, NV 센터의 앙상블을 포함하는 마이크로 다이아몬드로 구성된 센서를 배치할 다이아몬드 앤빌 셀로 알려진 미세한 고압 챔버를 만드는 것으로 시작했습니다. 이 유형의 센서는 샘플이 먼저 레이저(이 경우 파장 532nm)를 사용하여 여기된 다음 마이크로파 펄스를 통해 조작되는 광학적으로 감지된 자기 공명(ODMR)이라는 기술 덕분에 작동합니다. 연구원들은 고압에 강한 얇은 백금 와이어를 사용하여 마이크로파 펄스를 적용했습니다. 마지막 단계는 방출된 형광을 측정하는 것입니다.
"우리 실험에서 우리는 먼저 다른 압력 하에서 NV 중심의 광발광을 측정했습니다."라고 Liu는 설명합니다. "우리는 거의 100 GPa에서 형광을 관찰했는데, 예상치 못한 결과로 후속 ODMR 측정을 수행하게 되었습니다."
한 자리에 NV 센터의 대규모 앙상블
그 결과는 놀랍지만 Liu는 다이아몬드 격자가 매우 안정적이며 100GPa(1Mbar 또는 해수면에서 지구 대기압의 거의 1만 배)의 압력에서도 상전이가 일어나지 않는다고 지적합니다. 이러한 높은 압력은 NV 센터의 에너지 수준과 광학적 특성을 수정하지만 높은 압력에서는 수정 속도가 느려져 형광이 지속됩니다. 그럼에도 그는 말한다. 물리 세계 Mbar 압력에서 ODMR 스펙트럼을 얻는 것은 "쉽지 않은 작업"이었습니다.
"우리가 극복해야 할 많은 기술적 과제가 있습니다."라고 그는 말합니다. "특히 하나는 높은 압력이 NV 형광 신호를 감소시키고 추가 배경 형광을 가져온다는 것입니다."
연구원들은 NV 센터의 대규모 앙상블(~5 × 105 단일 마이크로다이아몬드에서) 실험 시스템의 집광 효율을 최적화합니다. 하지만 그들의 걱정은 여기서 끝이 아니었다. 또한 압력 분포의 불균일성으로 인해 OMDR 스펙트럼이 넓어지고 신호 대비가 저하될 수 있으므로 센서에 대한 큰 압력 구배를 피해야 했습니다.
“이 문제를 해결하기 위해 우리는 브롬화칼륨(KBr)을 압력 매체로 선택하고 검출 부피를 약 1um로 제한했습니다.3”라고 Liu는 말합니다. "이 접근 방식을 사용하여 거의 140GPa에서 NV 센터의 ODMR을 얻을 수 있었습니다."
최대 압력은 NV 센터에서 에너지 수준의 압력에 의한 수정이 예상보다 작은 것으로 밝혀졌기 때문에 훨씬 더 높을 수 있다고 그는 덧붙입니다. "이 목표를 달성하기 위한 핵심 과제는 압력 구배가 작거나 없는 고압을 생성하는 것입니다."라고 Liu는 말합니다. "이것은 비활성 가스를 압력 전달 매체로 사용하여 가능할 수 있습니다."
터널을 찾기 위해 야외에서 사용되는 양자 중력 기울기 센서
Liu와 동료들에 따르면, 이러한 실험은 NV 센터가 다음과 같이 사용될 수 있음을 보여줍니다. 현장 Mbar 압력에서 재료의 자기 특성을 연구하기 위한 양자 센서. 한 가지 예는 LaH에서 마이스너 효과(자기장 배제)를 조사하는 것입니다.10 , 160 GPa 이상의 압력에서만 합성될 수 있는 고온 초전도체.
연구원들은 이제 센서를 최적화하고 고압 한계를 결정할 계획입니다. 그들은 또한 (형광 수집 효율을 최적화함으로써) 자기 민감도를 개선하고 온도와 자기장을 동시에 측정하는 것과 같은 다중 모드 감지 체계를 개발하기를 희망합니다.
그들은 현재 연구를 자세히 설명합니다. 중국어 물리학 문자.
