Kvantesensorer basert på mikroskopiske feil i den krystallinske strukturen til diamant kan fungere ved trykk så høyt som 140 gigapascal, ifølge forskning utført av fysikere ved det kinesiske vitenskapsakademiet i Beijing. Funnet setter rekord for driftstrykket til kvantesensorer basert på såkalte nitrogen vacancy (NV) sentre, og deres nyfunne holdbarhet kan være til nytte for studier innen kondensert materie fysikk og geofysikk.
NV-sentre oppstår når to nabokarbonatomer i diamant erstattes av et nitrogenatom og et tomt gittersted. De fungerer som bittesmå kvantemagneter med forskjellige spinn, og når de begeistres med laserpulser, kan det fluorescerende signalet de sender ut brukes til å overvåke små endringer i de magnetiske egenskapene til en nærliggende prøve av materiale. Dette er fordi intensiteten til det utsendte NV-sentersignalet endres med det lokale magnetfeltet.
Problemet er at slike sensorer er skjøre og har en tendens til ikke å fungere under tøffe forhold. Dette gjør det vanskelig å bruke dem til å studere jordens indre, der gigapascal (GPa) trykk råder, eller undersøke materialer som hydridsuperledere, som er produsert ved svært høye trykk.
Optisk detektert magnetisk resonans
I det nye arbeidet har et team ledet av Gang-Qin Liu av Beijing National Research Center for Condensed Matter Physics og Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, begynte med å lage et mikroskopisk høytrykkskammer kjent som en diamantamboltcelle for å plassere sensorene deres, som besto av mikrodiamanter som inneholder et ensemble av NV-sentre. Sensorer av denne typen fungerer takket være en teknikk kalt optisk detektert magnetisk resonans (ODMR) der prøven først eksiteres ved hjelp av en laser (i dette tilfellet med en bølgelengde på 532 nm) og deretter manipuleres via mikrobølgepulser. Forskerne påførte mikrobølgepulsene ved hjelp av en tynn platinatråd, som er robust mot høye trykk. Det siste trinnet er å måle den utsendte fluorescensen.
"I eksperimentet vårt målte vi først fotoluminescensen til NV-sentrene under forskjellige trykk," forklarer Liu. "Vi observerte fluorescens ved nesten 100 GPa, et uventet resultat som førte til at vi utførte påfølgende ODMR-målinger."
Et stort ensemble av NV-sentre på ett sted
Mens resultatet var noe av en overraskelse, bemerker Liu at diamantgitteret er veldig stabilt og ikke gjennomgår noen faseovergang, selv ved trykk på 100 GPa (1 Mbar, eller nesten 1 million ganger jordens atmosfæriske trykk ved havnivå). Og mens slike høye trykk endrer energinivåene og de optiske egenskapene til NV-sentre, reduseres modifikasjonshastigheten ved høyere trykk, og lar fluorescensen vedvare. Likevel, forteller han Fysikkens verden det var "ingen enkel oppgave" å skaffe ODMR-spektra ved Mbar-trykk.
"Det er mange tekniske utfordringer vi må overvinne," sier han. "Et spesielt er at høye trykk reduserer NV-fluorescenssignalet og gir ekstra bakgrunnsfluorescens."
Forskerne overvant disse problemene ved å bruke et stort ensemble av NV-sentre (~5 × 105 i én enkelt mikrodiamant) og optimaliserer lysinnsamlingseffektiviteten til deres eksperimentelle system. Men bekymringene deres tok ikke slutt der. De trengte også å unngå en stor trykkgradient over sensoren, da enhver inhomogenitet i trykkfordelingen ville ha utvidet OMDR-spektrene og degradert signalkontrasten.
"For å møte denne utfordringen valgte vi kaliumbromid (KBr) som trykkmedium og begrenset deteksjonsvolumet til omtrent 1 um3, sier Liu. "Vi var i stand til å skaffe ODMR av NV-sentre på nesten 140 GPa ved å bruke denne tilnærmingen."
Maksimumstrykket kan bli enda høyere, legger han til, siden de trykkinduserte modifikasjonene av energinivåene i NV-sentre viste seg å være mindre enn forventet. "Nøkkelutfordringen for å oppnå dette målet er å produsere høye trykk med liten eller ingen trykkgradient," sier Liu. "Dette kan være mulig ved å bruke edelgass som trykkoverførende medium."
Kvantegravitasjonsgradientsensor brukt utendørs for å finne tunnel
Ifølge Liu og kolleger viser disse forsøkene at NV-sentre kan brukes som in situ kvantesensorer for å studere de magnetiske egenskapene til materialer ved Mbar-trykk. Et eksempel kan være å undersøke Meissner-effekten (magnetisk feltekskludering) i LaH10 , en høytemperatursuperleder som kun kan syntetiseres ved trykk over 160 GPa.
Forskerne planlegger nå å optimalisere sensorene sine og bestemme deres høytrykksgrense. De håper også å forbedre sin magnetiske følsomhet (ved å optimere effektiviteten av fluorescenssamlingen) og utvikle multimodale sanseoppsett – for eksempel måling av temperatur og magnetfelt samtidig.
De beskriver sin nåværende studie i Kinesiske fysikkbokstaver.
