Senzorii cuantici bazați pe defecte microscopice în structura cristalină a diamantului pot funcționa la presiuni de până la 140 gigapascali, potrivit cercetărilor efectuate de fizicienii de la Academia Chineză de Științe din Beijing. Descoperirea stabilește un record pentru presiunea de funcționare a senzorilor cuantici bazați pe așa-numitele centre de vacanță de azot (NV), iar noua lor durabilitate ar putea beneficia de studii în fizica și geofizica materiei condensate.
Centrele NV apar atunci când doi atomi de carbon învecinați din diamant sunt înlocuiți cu un atom de azot și un site gol al rețelei. Aceștia acționează ca niște minusculi magneți cuantici cu rotiri diferite și, atunci când sunt excitați cu impulsuri laser, semnalul fluorescent pe care îl emit poate fi folosit pentru a monitoriza modificări ușoare ale proprietăților magnetice ale unei mostre de material din apropiere. Acest lucru se datorează faptului că intensitatea semnalului central NV emis se modifică odată cu câmpul magnetic local.
Problema este că astfel de senzori sunt fragili și tind să nu funcționeze în condiții dure. Acest lucru face dificilă utilizarea lor pentru studierea interiorului Pământului, unde predomină presiunile gigapascale (GPa), sau pentru investigarea materialelor precum supraconductorii de hidrură, care sunt fabricați la presiuni foarte mari.
Rezonanță magnetică detectată optic
În noua lucrare, o echipă condusă de Gang-Qin Liu a Centrul Național de Cercetare din Beijing pentru Fizica Materiei Condensate și Institutul de Fizică, Academia Chineză de Științe, a început prin crearea unei camere microscopice de înaltă presiune cunoscută sub numele de celulă de nicovală de diamant în care să-și plaseze senzorii, care constau din microdiamante care conțin un ansamblu de centre NV. Senzorii de acest tip funcționează datorită unei tehnici numite rezonanță magnetică detectată optic (ODMR) în care proba este mai întâi excitată cu ajutorul unui laser (în acest caz cu o lungime de undă de 532 nm) și apoi manipulată prin impulsuri de microunde. Cercetătorii au aplicat impulsurile de microunde folosind un fir subțire de platină, care este robust la presiuni ridicate. Pasul final este măsurarea fluorescenței emise.
„În experimentul nostru, am măsurat mai întâi fotoluminiscența centrelor NV sub diferite presiuni”, explică Liu. „Am observat fluorescență la aproape 100 GPa, un rezultat neașteptat care ne-a determinat să efectuăm măsurători ODMR ulterioare.”
Un ansamblu mare de centre NV într-un singur loc
Deși rezultatul a fost o surpriză, Liu observă că rețeaua de diamant este foarte stabilă și nu suferă nicio tranziție de fază, chiar și la presiuni de 100 GPa (1 Mbar, sau de aproape 1 milion de ori presiunea atmosferică a Pământului la nivelul mării). Și în timp ce astfel de presiuni ridicate modifică nivelurile de energie și proprietățile optice ale centrelor NV, rata de modificare încetinește la presiuni mai mari, permițând fluorescenței să persistă. Chiar și așa, spune el Lumea fizicii nu a fost „o sarcină ușoară” să obțineți spectre ODMR la presiuni Mbar.
„Sunt multe provocări tehnice pe care trebuie să le depășim”, spune el. „Unul în special este că presiunile ridicate scad semnalul de fluorescență NV și aduc fluorescență de fond suplimentară.”
Cercetătorii au depășit aceste probleme utilizând un ansamblu mare de centre NV (~5 × 105 într-un singur microdiamant) și optimizarea eficienței de colectare a luminii a sistemului lor experimental. Dar grijile lor nu s-au terminat aici. De asemenea, trebuiau să evite un gradient mare de presiune peste senzor, deoarece orice neomogenitate în distribuția presiunii ar fi lărgit spectrele OMDR și ar fi degradat contrastul semnalului.
„Pentru a face față acestei provocări, am ales bromură de potasiu (KBr) ca mediu de presiune și am limitat volumul de detectare la aproximativ 1 um3”, spune Liu. „Am reușit să obținem ODMR ale centrelor NV la aproape 140 GPa folosind această abordare.”
Presiunea maximă poate fi chiar mai mare, adaugă el, deoarece modificările induse de presiune ale nivelurilor de energie din centrele NV s-au dovedit a fi mai mici decât se aștepta. „Provocarea cheie pentru atingerea acestui obiectiv este de a produce presiuni ridicate cu un gradient de presiune mic sau deloc”, spune Liu. „Acest lucru ar putea fi posibil folosind gazul nobil ca mediu de transmitere a presiunii.”
Senzor de gradient gravitațional cuantic folosit în aer liber pentru a găsi tunel
Potrivit lui Liu și colegilor, aceste experimente arată că centrele NV ar putea fi folosite ca in situ senzori cuantici pentru studierea proprietăților magnetice ale materialelor la presiuni Mbar. Un exemplu ar putea fi sondarea efectului Meissner (excluderea câmpului magnetic) în LaH10 , un supraconductor de înaltă temperatură care poate fi sintetizat doar la presiuni de peste 160 GPa.
Cercetătorii intenționează acum să-și optimizeze senzorii și să-și determine limita de înaltă presiune. De asemenea, ei speră să-și îmbunătățească sensibilitatea magnetică (prin optimizarea eficienței colectării fluorescenței) și să dezvolte scheme de detectare multimodale – de exemplu, măsurarea temperaturii și a câmpului magnetic simultan.
Ei își detaliază studiul prezent în Litere de fizică chineză.
