Согласно исследованию физиков Китайской академии наук в Пекине, квантовые датчики, основанные на микроскопических дефектах кристаллической структуры алмаза, могут работать при давлении до 140 гигапаскалей. Открытие устанавливает рекорд рабочего давления квантовых датчиков, основанных на так называемых центрах вакансий азота (NV), и их вновь обретенная долговечность может принести пользу исследованиям в области физики конденсированного состояния и геофизики.
NV-центры возникают, когда два соседних атома углерода в алмазе замещаются атомом азота и пустым узлом решетки. Они действуют как крошечные квантовые магниты с разными спинами, и при возбуждении лазерными импульсами испускаемый ими флуоресцентный сигнал можно использовать для отслеживания небольших изменений магнитных свойств близлежащего образца материала. Это связано с тем, что интенсивность излучаемого сигнала центра NV изменяется в зависимости от локального магнитного поля.
Проблема в том, что такие датчики хрупкие и не работают в суровых условиях. Это затрудняет их использование для изучения недр Земли, где преобладают гигапаскальные (ГПа) давления, или исследования таких материалов, как гидридные сверхпроводники, которые изготавливаются при очень высоких давлениях.
Оптически обнаруженный магнитный резонанс
В новой работе команда под руководством Ган-Цин Лю Пекинский национальный исследовательский центр физики конденсированных сред и Институт физики Китайской академии наук, начали с создания микроскопической камеры высокого давления, известной как ячейка с алмазной наковальней, в которой размещались их датчики, состоящие из микроалмазов, содержащих ансамбль NV-центров. Датчики этого типа работают благодаря методу, называемому оптическим магнитным резонансом (ODMR), при котором образец сначала возбуждается с помощью лазера (в данном случае с длиной волны 532 нм), а затем обрабатывается с помощью микроволновых импульсов. Исследователи применяли микроволновые импульсы, используя тонкую платиновую проволоку, устойчивую к высоким давлениям. Последним шагом является измерение испускаемой флуоресценции.
«В нашем эксперименте мы сначала измерили фотолюминесценцию NV-центров при различных давлениях», — объясняет Лю. «Мы наблюдали флуоресценцию почти при 100 ГПа, неожиданный результат, который побудил нас выполнить последующие измерения ODMR».
Большой ансамбль центров NV в одном месте
Хотя результат был чем-то вроде неожиданности, Лю отмечает, что алмазная решетка очень стабильна и не претерпевает фазовых переходов даже при давлении в 100 ГПа (1 Мбар, или почти в 1 миллион раз выше земного атмосферного давления на уровне моря). И хотя такие высокие давления действительно изменяют энергетические уровни и оптические свойства NV-центров, скорость модификации замедляется при более высоких давлениях, позволяя флуоресценции сохраняться. Тем не менее, он рассказывает Мир физики получить спектры ОДМР при давлении в Мбар было «непростой задачей».
«Нам предстоит решить множество технических проблем, — говорит он. «В частности, высокое давление снижает сигнал флуоресценции NV и вызывает дополнительную фоновую флуоресценцию».
Исследователи преодолели эти проблемы, используя большой ансамбль центров NV (~ 5 × 105 в одном микроалмазе) и оптимизации эффективности светосбора их экспериментальной системы. Но на этом их заботы не закончились. Им также необходимо было избегать большого градиента давления над датчиком, так как любая неоднородность в распределении давления расширила бы спектры OMDR и ухудшила бы контрастность сигнала.
«Для решения этой задачи мы выбрали бромид калия (KBr) в качестве рабочей среды и ограничили объем обнаружения примерно 1 мкм.3", - говорит Лю. «Используя этот подход, мы смогли получить ODMR центров NV почти при 140 ГПа».
Максимальное давление может быть даже выше, добавляет он, поскольку вызванные давлением модификации энергетических уровней в NV-центрах оказались меньше, чем ожидалось. «Ключевой задачей для достижения этой цели является создание высокого давления с небольшим градиентом давления или без него», — говорит Лю. «Это может быть возможно с использованием благородного газа в качестве среды, передающей давление».
Датчик градиента квантовой гравитации используется на открытом воздухе для поиска туннеля
По словам Лю и его коллег, эти эксперименты показывают, что NV-центры можно использовать в качестве на месте квантовые датчики для изучения магнитных свойств материалов при давлениях в Мбар. Одним из примеров может быть исследование эффекта Мейснера (исключение магнитного поля) в LaH.10 , высокотемпературный сверхпроводник, который можно синтезировать только при давлениях выше 160 ГПа.
Теперь исследователи планируют оптимизировать свои датчики и определить предел высокого давления. Они также надеются улучшить свою магнитную чувствительность (за счет оптимизации эффективности сбора флуоресценции) и разработать мультимодальные схемы датчиков, например, одновременное измерение температуры и магнитного поля.
Они подробно излагают свое настоящее исследование в Письма о китайской физике.
