Według badań fizyków z Chińskiej Akademii Nauk w Pekinie czujniki kwantowe oparte na mikroskopijnych defektach w krystalicznej strukturze diamentu mogą pracować przy ciśnieniu sięgającym 140 gigapaskali. Odkrycie ustanawia rekord ciśnienia roboczego czujników kwantowych opartych na tak zwanych centrach próżni azotu (NV), a ich nowo odkryta trwałość może przynieść korzyści w badaniach fizyki materii skondensowanej i geofizyki.
Centra NV powstają, gdy dwa sąsiednie atomy węgla w diamencie są zastępowane atomem azotu i pustym miejscem sieci. Działają jak maleńkie magnesy kwantowe o różnych spinach, a po wzbudzeniu impulsami laserowymi emitowany przez nie sygnał fluorescencyjny może być wykorzystany do monitorowania niewielkich zmian właściwości magnetycznych pobliskiej próbki materiału. Dzieje się tak, ponieważ intensywność emitowanego sygnału centrum NV zmienia się wraz z lokalnym polem magnetycznym.
Problem polega na tym, że takie czujniki są delikatne i zwykle nie działają w trudnych warunkach. Utrudnia to wykorzystanie ich do badania wnętrza Ziemi, gdzie panują ciśnienia w gigapaskalach (GPa), lub badania materiałów, takich jak nadprzewodniki wodorkowe, które są wytwarzane pod bardzo wysokimi ciśnieniami.
Rezonans magnetyczny wykrywany optycznie
W nowej pracy zespół kierowany przez Gang Qin Liu ukończenia Pekińskie Narodowe Centrum Badań nad Fizyką Materii Skondensowanej i Instytut Fizyki Chińskiej Akademii Nauk, rozpoczęło się od stworzenia mikroskopijnej komory wysokociśnieniowej znanej jako diamentowa komórka kowadła, w której można było umieścić swoje czujniki, które składały się z mikrodiamentów zawierających zespół centrów NV. Czujniki tego typu działają dzięki technice zwanej optycznym rezonansem magnetycznym (ODMR), w której próbka jest najpierw wzbudzana za pomocą lasera (w tym przypadku o długości fali 532 nm), a następnie manipulowana za pomocą impulsów mikrofalowych. Naukowcy zastosowali impulsy mikrofalowe za pomocą cienkiego drutu platynowego, który jest odporny na wysokie ciśnienie. Ostatnim krokiem jest pomiar emitowanej fluorescencji.
„W naszym eksperymencie najpierw zmierzyliśmy fotoluminescencję centrów NV pod różnymi ciśnieniami”, wyjaśnia Liu. „Zaobserwowaliśmy fluorescencję przy prawie 100 GPa, co było nieoczekiwanym wynikiem, który skłonił nas do wykonania kolejnych pomiarów ODMR”.
Duży zespół ośrodków NV w jednym miejscu
Chociaż wynik był pewnym zaskoczeniem, Liu zauważa, że sieć diamentów jest bardzo stabilna i nie przechodzi przemiany fazowej, nawet przy ciśnieniu 100 GPa (1 Mbar, czyli prawie 1 milion razy większe od ziemskiego ciśnienia na poziomie morza). I chociaż tak wysokie ciśnienie modyfikuje poziomy energii i właściwości optyczne centrów NV, tempo modyfikacji zwalnia przy wyższych ciśnieniach, umożliwiając utrzymywanie się fluorescencji. Mimo to mówi Świat Fizyki uzyskanie widma ODMR przy ciśnieniu Mbar nie było „łatwym zadaniem”.
„Jest wiele wyzwań technicznych, z którymi musimy się uporać” — mówi. „W szczególności wysokie ciśnienie zmniejsza sygnał fluorescencji NV i zapewnia dodatkową fluorescencję tła”.
Naukowcy przezwyciężyli te problemy, wykorzystując duży zespół centrów NV (~ 5 × 105 w jednym mikrodiamencie) i optymalizację wydajności zbierania światła w ich systemie eksperymentalnym. Ale ich zmartwienia na tym się nie skończyły. Musieli również unikać dużego gradientu ciśnienia nad czujnikiem, ponieważ jakakolwiek niejednorodność rozkładu ciśnienia spowodowałaby poszerzenie widm OMDR i pogorszenie kontrastu sygnału.
„Aby sprostać temu wyzwaniu, jako medium ciśnieniowe wybraliśmy bromek potasu (KBr) i ograniczyliśmy objętość wykrywania do około 1 um3”, mówi Liu. „Udało nam się uzyskać ODMR centrów NV przy prawie 140 GPa przy użyciu tego podejścia”.
Maksymalne ciśnienie może być jeszcze wyższe, dodaje, ponieważ wywołane ciśnieniem modyfikacje poziomów energii w ośrodkach NV okazały się mniejsze niż oczekiwano. „Kluczowym wyzwaniem do osiągnięcia tego celu jest wytwarzanie wysokich ciśnień przy niewielkim gradiencie ciśnienia lub zerowym”, mówi Liu. „Może to być możliwe przy użyciu gazu szlachetnego jako medium przenoszącego ciśnienie”.
Kwantowy czujnik gradientu grawitacyjnego używany na zewnątrz do znajdowania tunelu
Według Liu i współpracowników eksperymenty te pokazują, że centra NV mogą być wykorzystywane jako in situ czujniki kwantowe do badania właściwości magnetycznych materiałów pod ciśnieniem Mbar. Jednym z przykładów może być zbadanie efektu Meissnera (wykluczenie pola magnetycznego) w LaH10 , nadprzewodnik wysokotemperaturowy, który można zsyntetyzować tylko przy ciśnieniach powyżej 160 GPa.
Naukowcy planują teraz zoptymalizować swoje czujniki i określić limit wysokiego ciśnienia. Mają także nadzieję na poprawę swojej czułości magnetycznej (poprzez optymalizację wydajności zbierania fluorescencji) i opracowanie multimodalnych schematów wykrywania, na przykład jednoczesnego pomiaru temperatury i pola magnetycznego.
Szczegółowo opisują swoje obecne badania w Chińskie litery fizyki.
