Kvantsensorer baserade på mikroskopiska brister i diamantens kristallina struktur kan arbeta vid tryck så höga som 140 gigapascal, enligt forskning av fysiker vid den kinesiska vetenskapsakademin i Peking. Fyndet sätter rekord för drifttrycket för kvantsensorer baserade på så kallade kvävevakanscentra (NV) och deras nyfunna hållbarhet kan gynna studier inom fysik och geofysik av kondenserad materia.
NV-centra uppstår när två angränsande kolatomer i diamant ersätts av en kväveatom och ett tomt gitterställe. De fungerar som små kvantmagneter med olika snurr, och när de exciteras med laserpulser kan den fluorescerande signalen de avger användas för att övervaka små förändringar i de magnetiska egenskaperna hos ett närliggande materialprov. Detta beror på att intensiteten hos den emitterade NV-centrumsignalen ändras med det lokala magnetfältet.
Problemet är att sådana sensorer är ömtåliga och tenderar att inte fungera under svåra förhållanden. Detta gör det svårt att använda dem för att studera jordens inre, där gigapascal (GPa) tryck råder, eller undersöka material som hydridsupraledare, som tillverkas vid mycket höga tryck.
Optiskt detekterad magnetisk resonans
I det nya arbetet har ett team ledd av Gang-Qin Liu av Pekings nationella forskningscenter för fysik av kondenserad materia och Institutet för fysik, kinesiska vetenskapsakademin, började med att skapa en mikroskopisk högtryckskammare känd som en diamantstädcell för att placera sina sensorer i, som bestod av mikrodiamanter som innehåller en ensemble av NV-centra. Sensorer av den här typen fungerar tack vare en teknik som kallas optiskt detekterad magnetisk resonans (ODMR) där provet först exciteras med hjälp av en laser (i detta fall med en våglängd på 532 nm) och sedan manipuleras via mikrovågspulser. Forskarna applicerade mikrovågspulserna med en tunn platinatråd, som är robust mot höga tryck. Det sista steget är att mäta den emitterade fluorescensen.
"I vårt experiment mätte vi först fotoluminescensen av NV-centra under olika tryck," förklarar Liu. "Vi observerade fluorescens vid nästan 100 GPa, ett oväntat resultat som fick oss att utföra efterföljande ODMR-mätningar."
En stor ensemble av NV centrerar på ett ställe
Även om resultatet var något av en överraskning, noterar Liu att diamantgittret är mycket stabilt och inte genomgår någon fasövergång, även vid tryck på 100 GPa (1 Mbar, eller nästan 1 miljon gånger jordens atmosfärstryck vid havsnivån). Och medan sådana höga tryck ändrar energinivåerna och optiska egenskaperna hos NV-centra, saktar modifieringshastigheten ner vid högre tryck, vilket gör att fluorescensen kan bestå. Trots det, berättar han Fysikvärlden det var "ingen lätt uppgift" att erhålla ODMR-spektra vid Mbar-tryck.
"Det finns många tekniska utmaningar vi måste övervinna", säger han. "En i synnerhet är att höga tryck minskar NV-fluorescenssignalen och ger extra bakgrundsfluorescens."
Forskarna övervann dessa problem genom att använda en stor ensemble av NV-centra (~5 × 105 i en enda mikrodiamant) och optimerar ljusinsamlingseffektiviteten för deras experimentella system. Men deras oro slutade inte där. De behövde också undvika en stor tryckgradient över sensorn, eftersom all inhomogenitet i tryckfördelningen skulle ha breddat OMDR-spektra och försämrat signalkontrasten.
"För att möta denna utmaning valde vi kaliumbromid (KBr) som tryckmedium och begränsade detektionsvolymen till cirka 1 um3", säger Liu. "Vi kunde erhålla ODMR för NV-centra på nästan 140 GPa med detta tillvägagångssätt."
Det maximala trycket kan bli ännu högre, tillägger han, eftersom de tryckinducerade modifieringarna av energinivåerna i NV-centra visade sig vara mindre än förväntat. "Den viktigaste utmaningen för att uppnå detta mål är att producera höga tryck med liten eller ingen tryckgradient", säger Liu. "Detta kan vara möjligt med ädelgas som trycköverföringsmedium."
Kvantgravitationsgradientsensor används utomhus för att hitta tunnel
Enligt Liu och kollegor visar dessa experiment att NV-center kan användas som in situ kvantsensorer för att studera magnetiska egenskaper hos material vid Mbar-tryck. Ett exempel kan vara att undersöka Meissner-effekten (uteslutning av magnetfält) i LaH10 , en högtemperatursupraledare som endast kan syntetiseras vid tryck över 160 GPa.
Forskarna planerar nu att optimera sina sensorer och bestämma deras högtrycksgräns. De hoppas också kunna förbättra sin magnetiska känslighet (genom att optimera effektiviteten för uppsamling av fluorescens) och utveckla multimodala avkänningssystem – till exempel mäta temperatur och magnetfält samtidigt.
De beskriver sin nuvarande studie i Kinesiska fysikbokstäver.
