Kwantumsensoren gebaseerd op microscopische fouten in de kristallijne structuur van diamant kunnen werken bij een druk van wel 140 gigapascal, zo blijkt uit onderzoek van natuurkundigen aan de Chinese Academie van Wetenschappen in Peking. De bevinding vestigt een record voor de werkdruk van kwantumsensoren op basis van zogenaamde stikstofvacancy (NV) centra, en hun nieuwe duurzaamheid zou studies in de fysica en geofysica van de gecondenseerde materie ten goede kunnen komen.
NV-centra ontstaan wanneer twee aangrenzende koolstofatomen in diamant worden vervangen door een stikstofatoom en een lege roosterplaats. Ze gedragen zich als kleine kwantummagneten met verschillende spins, en wanneer ze worden geëxciteerd met laserpulsen, kan het fluorescentiesignaal dat ze uitzenden worden gebruikt om kleine veranderingen in de magnetische eigenschappen van een nabijgelegen materiaalmonster te volgen. Dit komt omdat de intensiteit van het uitgezonden NV-middensignaal verandert met het lokale magnetische veld.
Het probleem is dat dergelijke sensoren kwetsbaar zijn en niet werken onder zware omstandigheden. Dit maakt het moeilijk om ze te gebruiken voor het bestuderen van het binnenste van de aarde, waar gigapascal (GPa) druk heerst, of voor het onderzoeken van materialen zoals hydride-supergeleiders, die onder zeer hoge druk worden vervaardigd.
Optisch gedetecteerde magnetische resonantie
In het nieuwe werk, een team onder leiding van Bende-Qin Liu van de Nationaal onderzoekscentrum voor gecondenseerde materie in Peking en Instituut voor Natuurkunde, Chinese Academie van Wetenschappen, begon met het creëren van een microscopische hogedrukkamer, bekend als een diamanten aambeeldcel, waarin ze hun sensoren konden plaatsen, die bestonden uit microdiamanten die een geheel van NV-centra bevatten. Dit soort sensoren werken dankzij een techniek die optisch gedetecteerde magnetische resonantie (ODMR) wordt genoemd, waarbij het monster eerst wordt geëxciteerd met behulp van een laser (in dit geval met een golflengte van 532 nm) en vervolgens wordt gemanipuleerd via microgolfpulsen. De onderzoekers pasten de microgolfpulsen toe met behulp van een dunne platinadraad, die bestand is tegen hoge drukken. De laatste stap is het meten van de uitgezonden fluorescentie.
“In ons experiment hebben we eerst de fotoluminescentie van de NV-centra onder verschillende druk gemeten”, legt Liu uit. "We hebben fluorescentie waargenomen bij bijna 100 GPa, een onverwacht resultaat dat ons ertoe bracht daaropvolgende ODMR-metingen uit te voeren."
Een groot ensemble van NV-centra op één plek
Hoewel het resultaat enigszins verrassend was, merkt Liu op dat het diamantrooster zeer stabiel is en geen faseovergang ondergaat, zelfs niet bij een druk van 100 GPa (1 Mbar, of bijna 1 miljoen maal de atmosferische druk van de aarde op zeeniveau). En hoewel zulke hoge drukken de energieniveaus en optische eigenschappen van NV-centra wijzigen, neemt de wijzigingssnelheid af bij hogere drukken, waardoor de fluorescentie kan voortduren. Toch vertelt hij Natuurkunde wereld het was “geen gemakkelijke taak” om ODMR-spectra bij Mbar-drukken te verkrijgen.
“Er zijn veel technische uitdagingen die we moeten overwinnen”, zegt hij. "Een daarvan in het bijzonder is dat hoge drukken het NV-fluorescentiesignaal verminderen en extra achtergrondfluorescentie met zich meebrengen."
De onderzoekers hebben deze problemen overwonnen door gebruik te maken van een groot ensemble van NV-centra (~ 5 x 105 in één enkele microdiamant) en het optimaliseren van de lichtverzamelingsefficiëntie van hun experimentele systeem. Maar daar hielden hun zorgen niet op. Ze moesten ook een grote drukgradiënt over de sensor vermijden, omdat elke inhomogeniteit in de drukverdeling de OMDR-spectra zou hebben verbreed en het signaalcontrast zou hebben verslechterd.
“Om deze uitdaging aan te gaan, kozen we kaliumbromide (KBr) als drukmedium en beperkten we het detectievolume tot ongeveer 1 µm.3”, zegt Liu. "Met deze aanpak konden we ODMR van NV-centra verkrijgen bij bijna 140 GPa."
De maximale druk kan zelfs nog hoger zijn, voegt hij eraan toe, omdat de door druk veroorzaakte veranderingen in de energieniveaus in NV-centra kleiner bleken te zijn dan verwacht. “De belangrijkste uitdaging om dit doel te bereiken is het produceren van hoge druk met een kleine of geen drukgradiënt”, zegt Liu. “Dit zou mogelijk kunnen zijn door gebruik te maken van edelgas als drukoverbrengend medium.”
Quantum zwaartekracht gradiëntsensor die buiten wordt gebruikt om tunnel te vinden
Volgens Liu en collega's laten deze experimenten zien dat NV-centra kunnen worden gebruikt als in situ kwantumsensoren voor het bestuderen van de magnetische eigenschappen van materialen bij Mbar-drukken. Een voorbeeld zou kunnen zijn om het Meissner-effect (uitsluiting van magnetische velden) in LaH te onderzoeken10 , een supergeleider op hoge temperatuur die alleen kan worden gesynthetiseerd bij drukken boven 160 GPa.
De onderzoekers zijn nu van plan hun sensoren te optimaliseren en hun hogedruklimiet te bepalen. Ze hopen ook hun magnetische gevoeligheid te verbeteren (door de efficiëntie van de fluorescentieverzameling te optimaliseren) en multimodale detectieschema's te ontwikkelen, bijvoorbeeld door tegelijkertijd temperatuur en magnetisch veld te meten.
Ze beschrijven hun huidige studie in Chinese natuurkundebrieven.
