Kvantni senzorji, ki temeljijo na mikroskopskih napakah v kristalni strukturi diamanta, lahko delujejo pri tlakih do 140 gigapaskalov, je pokazala raziskava fizikov s Kitajske akademije znanosti v Pekingu. Ugotovitev postavlja rekord za delovni tlak kvantnih senzorjev, ki temeljijo na tako imenovanih dušikovih praznih centrih (NV), njihova novoodkrita vzdržljivost pa bi lahko koristila študijam fizike kondenzirane snovi in geofizike.
Centri NV se pojavijo, ko sta dva sosednja atoma ogljika v diamantu zamenjana z atomom dušika in praznim mestom rešetke. Delujejo kot majhni kvantni magneti z različnimi vrtljaji, in ko jih vzbujajo laserski impulzi, se lahko fluorescenčni signal, ki ga oddajajo, uporabi za spremljanje rahlih sprememb magnetnih lastnosti bližnjega vzorca materiala. To je zato, ker se intenzivnost oddanega središčnega signala NV spreminja z lokalnim magnetnim poljem.
Težava je v tem, da so takšni senzorji krhki in običajno ne delujejo v težkih pogojih. Zaradi tega jih je težko uporabiti za preučevanje notranjosti Zemlje, kjer prevladujejo gigapaskalni (GPa) tlaki, ali raziskovanje materialov, kot so hidridni superprevodniki, ki so izdelani pri zelo visokih tlakih.
Optično zaznana magnetna resonanca
V novem delu je ekipa pod vodstvom Gang-Qin Liu od Pekinški nacionalni raziskovalni center za fiziko kondenziranih snovi in Inštitut za fiziko Kitajske akademije znanosti, so začeli z ustvarjanjem mikroskopske visokotlačne komore, znane kot celica z diamantnim nakovalom, v katero so postavili svoje senzorje, sestavljene iz mikrodiamantov, ki vsebujejo niz NV centrov. Senzorji te vrste delujejo zahvaljujoč tehniki, imenovani optično zaznana magnetna resonanca (ODMR), pri kateri vzorec najprej vzbudimo z laserjem (v tem primeru z valovno dolžino 532 nm) in nato manipuliramo z mikrovalovnimi impulzi. Raziskovalci so uporabili mikrovalovne impulze s tanko platinasto žico, ki je odporna na visoke pritiske. Zadnji korak je merjenje oddane fluorescence.
"V našem poskusu smo najprej izmerili fotoluminiscenco NV centrov pod različnimi pritiski," pojasnjuje Liu. "Opazili smo fluorescenco pri skoraj 100 GPa, kar je bil nepričakovan rezultat, zaradi katerega smo izvedli nadaljnje meritve ODMR."
Velik sklop centrov NV na enem mestu
Medtem ko je bil rezultat nekaj presenečenja, Liu ugotavlja, da je diamantna mreža zelo stabilna in ni podvržena faznemu prehodu, tudi pri pritisku 100 GPa (1 Mbar ali skoraj 1 milijon-kratnik Zemljinega atmosferskega tlaka na morski gladini). Medtem ko tako visoki pritiski spreminjajo energijske ravni in optične lastnosti NV centrov, se stopnja spreminjanja upočasni pri višjih pritiskih, kar omogoča, da fluorescenca ostane. Kljub temu, pove Svet fizike ni bila lahka naloga pridobiti spektre ODMR pri tlakih Mbar.
"Obstaja veliko tehničnih izzivov, ki jih moramo premagati," pravi. "Predvsem je, da visoki pritiski zmanjšajo NV fluorescenčni signal in prinašajo dodatno fluorescenco v ozadju."
Raziskovalci so te težave premagali z uporabo velikega sklopa NV centrov (~ 5 × 105 v enem samem mikrodiamantu) in optimizacijo učinkovitosti zbiranja svetlobe njihovega eksperimentalnega sistema. A njihove skrbi se s tem niso končale. Prav tako so se morali izogniti velikemu gradientu tlaka nad senzorjem, saj bi kakršna koli nehomogenost v porazdelitvi tlaka razširila spektre OMDR in poslabšala kontrast signala.
»Da bi se soočili s tem izzivom, smo kot tlačni medij izbrali kalijev bromid (KBr) in omejili prostornino detekcije na približno 1 um3,« pravi Liu. "S tem pristopom smo lahko pridobili ODMR centrov NV pri skoraj 140 GPa."
Največji pritisk je lahko še višji, dodaja, saj so se zaradi pritiska povzročene spremembe energijskih nivojev v centrih NV izkazale za manjše od pričakovanih. "Ključni izziv za dosego tega cilja je ustvariti visoke pritiske z majhnim gradientom tlaka ali brez njega," pravi Liu. "To bi bilo mogoče z uporabo žlahtnega plina kot medija za prenos tlaka."
Kvantni senzor gravitacijskega gradienta, ki se uporablja na prostem za iskanje tunela
Po mnenju Liuja in kolegov ti poskusi kažejo, da bi lahko NV centre uporabili kot situ kvantni senzorji za proučevanje magnetnih lastnosti materialov pri tlakih Mbar. Eden od primerov je lahko sondiranje Meissnerjevega učinka (izključitev magnetnega polja) v LaH10 , visokotemperaturni superprevodnik, ki ga je mogoče sintetizirati le pri tlakih nad 160 GPa.
Raziskovalci zdaj nameravajo optimizirati svoje senzorje in določiti njihovo mejo visokega tlaka. Prav tako upajo, da bodo izboljšali svojo magnetno občutljivost (z optimizacijo učinkovitosti zbiranja fluorescence) in razvili večmodalne sheme zaznavanja - na primer hkratno merjenje temperature in magnetnega polja.
Svojo sedanjo študijo podrobno opisujejo v Kitajska pisma fizike.
