Sensores quânticos baseados em falhas microscópicas na estrutura cristalina do diamante podem funcionar em pressões de até 140 gigapascais, de acordo com pesquisa de físicos da Academia Chinesa de Ciências em Pequim. A descoberta estabelece um recorde para a pressão operacional de sensores quânticos baseados nos chamados centros de vacância de nitrogênio (NV), e sua durabilidade recém-descoberta pode beneficiar estudos em física de matéria condensada e geofísica.
Os centros NV ocorrem quando dois átomos de carbono vizinhos no diamante são substituídos por um átomo de nitrogênio e um local de rede vazio. Eles agem como minúsculos ímãs quânticos com spins diferentes e, quando excitados com pulsos de laser, o sinal fluorescente que eles emitem pode ser usado para monitorar pequenas mudanças nas propriedades magnéticas de uma amostra próxima de material. Isso ocorre porque a intensidade do sinal do centro NV emitido muda com o campo magnético local.
O problema é que tais sensores são frágeis e tendem a não funcionar em condições adversas. Isso dificulta seu uso no estudo do interior da Terra, onde prevalecem as pressões gigapascal (GPa), ou na investigação de materiais como supercondutores de hidretos, fabricados em pressões muito altas.
Ressonância magnética detectada opticamente
No novo trabalho, uma equipe liderada por Gang Qin Liu da Centro Nacional de Pesquisa de Pequim para Física da Matéria Condensada e Instituto de Física, Academia Chinesa de Ciências, começaram criando uma câmara microscópica de alta pressão conhecida como célula de bigorna de diamante para colocar seus sensores, que consistiam em microdiamantes que continham um conjunto de centros NV. Sensores desse tipo funcionam graças a uma técnica chamada ressonância magnética detectada opticamente (ODMR), na qual a amostra é primeiro excitada por um laser (neste caso com comprimento de onda de 532 nm) e depois manipulada por meio de pulsos de micro-ondas. Os pesquisadores aplicaram os pulsos de micro-ondas usando um fino fio de platina, resistente a altas pressões. O passo final é medir a fluorescência emitida.
“Em nosso experimento, primeiro medimos a fotoluminescência dos centros NV sob diferentes pressões”, explica Liu. “Observamos fluorescência em quase 100 GPa, um resultado inesperado que nos levou a realizar medições ODMR subsequentes.”
Um grande conjunto de centros NV em um ponto
Embora o resultado tenha sido uma surpresa, Liu observa que a estrutura do diamante é muito estável e não sofre transição de fase, mesmo a pressões de 100 GPa (1Mbar, ou quase 1 milhão de vezes a pressão atmosférica da Terra ao nível do mar). E embora essas altas pressões modifiquem os níveis de energia e as propriedades ópticas dos centros NV, a taxa de modificação diminui em pressões mais altas, permitindo que a fluorescência persista. Mesmo assim, ele conta Mundo da física não foi “uma tarefa fácil” obter espectros ODMR em pressões Mbar.
“Existem muitos desafios técnicos que temos de superar”, diz ele. “Um em particular é que altas pressões diminuem o sinal de fluorescência NV e trazem fluorescência de fundo extra.”
Os pesquisadores superaram esses problemas usando um grande conjunto de centros NV (~ 5 × 105 em um único microdiamante) e otimizando a eficiência de coleta de luz de seu sistema experimental. Mas suas preocupações não terminaram aí. Eles também precisavam evitar um grande gradiente de pressão sobre o sensor, pois qualquer falta de homogeneidade na distribuição de pressão teria ampliado o espectro OMDR e degradado o contraste do sinal.
“Para enfrentar esse desafio, escolhemos o brometo de potássio (KBr) como meio de pressão e limitamos o volume de detecção a cerca de 1 um3”, diz Liu. “Conseguimos obter ODMR de centros NV em quase 140 GPa usando essa abordagem.”
A pressão máxima pode ser ainda maior, acrescenta ele, uma vez que as modificações induzidas pela pressão nos níveis de energia nos centros NV acabaram sendo menores do que o esperado. “O principal desafio para atingir esse objetivo é produzir altas pressões com pequeno ou nenhum gradiente de pressão”, diz Liu. “Isso pode ser possível usando gás nobre como meio de transmissão de pressão.”
Sensor de gradiente de gravidade quântica usado ao ar livre para encontrar túnel
De acordo com Liu e colegas, esses experimentos mostram que os centros NV podem ser usados como no local sensores quânticos para estudar as propriedades magnéticas de materiais em pressões Mbar. Um exemplo pode ser sondar o efeito Meissner (exclusão de campo magnético) em LaH10 , um supercondutor de alta temperatura que só pode ser sintetizado em pressões acima de 160 GPa.
Os pesquisadores agora planejam otimizar seus sensores e determinar seu limite de alta pressão. Eles também esperam melhorar sua sensibilidade magnética (otimizando a eficiência da coleta de fluorescência) e desenvolver esquemas de detecção multimodais – por exemplo, medindo temperatura e campo magnético simultaneamente.
Eles detalham seu presente estudo em Letras de Física Chinesa.
