เซ็นเซอร์ควอนตัมซึ่งอาศัยข้อบกพร่องระดับจุลภาคในโครงสร้างผลึกของเพชรสามารถทำงานได้ที่ความดันสูงถึง 140 จิกะปาสคาล ตามการวิจัยของนักฟิสิกส์ที่ Chinese Academy of Sciences ในกรุงปักกิ่ง การค้นพบนี้สร้างสถิติความดันการทำงานของเซ็นเซอร์ควอนตัมตามศูนย์ที่เรียกว่าไนโตรเจนว่าง (NV) และความทนทานที่เพิ่งค้นพบอาจเป็นประโยชน์ต่อการศึกษาฟิสิกส์และธรณีฟิสิกส์ของสสารควบแน่น
ศูนย์ NV เกิดขึ้นเมื่ออะตอมของคาร์บอนที่อยู่ใกล้เคียงสองอะตอมในเพชรถูกแทนที่ด้วยอะตอมของไนโตรเจนและไซต์ขัดแตะที่ว่างเปล่า พวกมันทำหน้าที่เหมือนแม่เหล็กควอนตัมขนาดเล็กที่มีการหมุนต่างกัน และเมื่อตื่นเต้นกับพัลส์เลเซอร์ สัญญาณเรืองแสงที่ปล่อยออกมาสามารถใช้เพื่อตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในคุณสมบัติทางแม่เหล็กของตัวอย่างวัสดุใกล้เคียง นี่เป็นเพราะความเข้มของสัญญาณศูนย์กลาง NV ที่ปล่อยออกมาเปลี่ยนไปตามสนามแม่เหล็กเฉพาะที่
ปัญหาคือเซ็นเซอร์ดังกล่าวเปราะบางและมีแนวโน้มที่จะไม่ทำงานในสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย สิ่งนี้ทำให้ยากต่อการใช้พวกมันเพื่อศึกษาภายในของโลก ซึ่งแรงกดดันระดับกิกะปาสกาล (GPa) เหนือกว่า หรือการตรวจสอบวัสดุอย่างเช่นตัวนำยิ่งยวดไฮไดรด์ ซึ่งประดิษฐ์ขึ้นที่แรงกดดันสูงมาก
ตรวจจับด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก
ในงานใหม่ นำทีมโดย กังฉินหลิว ของ ศูนย์วิจัยแห่งชาติปักกิ่งสำหรับฟิสิกส์สสารควบแน่น และ สถาบันฟิสิกส์ สถาบันวิทยาศาสตร์จีนเริ่มต้นด้วยการสร้างห้องแรงดันสูงระดับจุลภาคที่เรียกว่าเซลล์ทั่งเพชรเพื่อวางเซ็นเซอร์ ซึ่งประกอบด้วยไมโครไดมอนด์ที่ประกอบด้วยกลุ่มของศูนย์ NV เซ็นเซอร์ประเภทนี้ทำงานด้วยเทคนิคที่เรียกว่าเรโซแนนซ์แม่เหล็กที่ตรวจจับด้วยแสง (ODMR) ซึ่งตัวอย่างจะถูกกระตุ้นก่อนโดยใช้เลเซอร์ (ในกรณีนี้คือความยาวคลื่น 532 นาโนเมตร) จากนั้นควบคุมด้วยพัลส์คลื่นไมโครเวฟ นักวิจัยใช้พัลส์คลื่นไมโครเวฟโดยใช้ลวดแพลทินัมบางๆ ซึ่งทนทานต่อแรงกดดันสูง ขั้นตอนสุดท้ายคือการตรวจวัดการเรืองแสงที่ปล่อยออกมา
Liu อธิบาย "ในการทดลองของเรา ขั้นแรกเราวัดโฟโตลูมิเนสเซนซ์ของศูนย์ NV ภายใต้ความกดดันต่างๆ" “เราสังเกตการเรืองแสงที่เกือบ 100 GPa ซึ่งเป็นผลลัพธ์ที่ไม่คาดคิดซึ่งทำให้เราทำการวัดค่า ODMR ตามมา”
ศูนย์รวม NV ขนาดใหญ่ในจุดเดียว
แม้ว่าผลที่ได้จะเป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจ แต่ Liu ตั้งข้อสังเกตว่าโครงตาข่ายเพชรมีความเสถียรมากและไม่มีการเปลี่ยนสถานะ แม้ที่ความดัน 100 GPa (1Mbar หรือเกือบ 1 ล้านเท่าของความดันบรรยากาศโลกที่ระดับน้ำทะเล) และในขณะที่ความดันสูงดังกล่าวได้ปรับเปลี่ยนระดับพลังงานและคุณสมบัติทางแสงของศูนย์ NV อัตราการปรับเปลี่ยนจะช้าลงเมื่อความดันสูงขึ้น ทำให้การเรืองแสงยังคงอยู่ ถึงอย่างนั้นเขาก็บอก โลกฟิสิกส์ การรับสเปกตรัม ODMR ที่ความดัน Mbar ไม่ใช่เรื่องง่าย
“มีความท้าทายทางเทคนิคมากมายที่เราต้องเอาชนะ” เขากล่าว "โดยเฉพาะอย่างยิ่งประการหนึ่งคือความกดดันสูงจะลดสัญญาณการเรืองแสง NV และทำให้พื้นหลังเรืองแสงมากขึ้น"
นักวิจัยเอาชนะปัญหาเหล่านี้ได้โดยใช้ศูนย์ NV จำนวนมาก (ประมาณ 5 × 105 ในเพชรขนาดเล็กเพียงเม็ดเดียว) และเพิ่มประสิทธิภาพการเก็บแสงของระบบการทดลองของพวกเขา แต่ความกังวลของพวกเขาไม่ได้จบลงเพียงแค่นั้น พวกเขายังต้องหลีกเลี่ยงการไล่ระดับความดันขนาดใหญ่เหนือเซ็นเซอร์ เนื่องจากความไม่สม่ำเสมอในการกระจายความดันจะทำให้สเปกตรัม OMDR กว้างขึ้น และทำให้คอนทราสต์ของสัญญาณลดลง
“เพื่อตอบสนองความท้าทายนี้ เราเลือกโพแทสเซียมโบรไมด์ (KBr) เป็นตัวกลางความดันและจำกัดปริมาตรการตรวจจับไว้ที่ประมาณ 1 um3หลิวกล่าว “เราสามารถรับ ODMR ของศูนย์ NV ที่เกือบ 140 GPa โดยใช้แนวทางนี้”
แรงดันสูงสุดอาจสูงกว่านี้ เขากล่าวเสริม เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากแรงดันของระดับพลังงานในศูนย์ NV กลายเป็นน้อยกว่าที่คาดไว้ Liu กล่าวว่า "ความท้าทายที่สำคัญในการบรรลุเป้าหมายนี้คือการสร้างแรงกดดันสูงโดยมีการไล่ระดับความดันเล็กน้อยหรือไม่มีเลย" Liu กล่าว "สิ่งนี้อาจเป็นไปได้โดยใช้ก๊าซมีตระกูลเป็นตัวกลางในการส่งแรงดัน"
เซ็นเซอร์ไล่ระดับแรงโน้มถ่วงควอนตัมใช้กลางแจ้งเพื่อค้นหาอุโมงค์
Liu และเพื่อนร่วมงานกล่าวว่าการทดลองเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าศูนย์ NV สามารถใช้เป็น ในแหล่งกำเนิด ควอนตัมเซนเซอร์สำหรับศึกษาคุณสมบัติทางแม่เหล็กของวัสดุที่ความดัน Mbar ตัวอย่างหนึ่งอาจเป็นการตรวจสอบ Meissner effect (การยกเว้นสนามแม่เหล็ก) ใน LaH10 เป็นตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงที่สามารถสังเคราะห์ได้ที่ความดันสูงกว่า 160 GPa เท่านั้น
ขณะนี้นักวิจัยวางแผนที่จะเพิ่มประสิทธิภาพเซ็นเซอร์และกำหนดขีดจำกัดความดันสูง พวกเขายังหวังที่จะปรับปรุงความไวของสนามแม่เหล็ก (โดยการเพิ่มประสิทธิภาพการเก็บฟลูออเรสเซนซ์) และพัฒนารูปแบบการตรวจจับหลายรูปแบบ ตัวอย่างเช่น การวัดอุณหภูมิและสนามแม่เหล็กพร้อมกัน
พวกเขาให้รายละเอียดการศึกษาปัจจุบันใน อักษรจีนฟิสิกส์.
