Pekin'deki Çin Bilimler Akademisi fizikçilerinin yaptığı araştırmaya göre, elmasın kristal yapısındaki mikroskobik kusurlara dayanan kuantum sensörleri, 140 gigapaskal kadar yüksek basınçlarda çalışabilir. Bulgu, sözde nitrojen boşluğu (NV) merkezlerine dayanan kuantum sensörlerinin çalışma basıncı için bir rekor kırıyor ve yeni keşfedilen dayanıklılıkları, yoğun madde fiziği ve jeofizik alanındaki çalışmalara fayda sağlayabilir.
NV merkezleri, elmastaki iki komşu karbon atomu bir nitrojen atomu ve boş bir kafes bölgesi ile değiştirildiğinde meydana gelir. Farklı dönüşlere sahip küçük kuantum mıknatıslar gibi davranırlar ve lazer darbeleriyle uyarıldıklarında yaydıkları flüoresan sinyali, yakındaki bir malzeme örneğinin manyetik özelliklerindeki küçük değişiklikleri izlemek için kullanılabilir. Bunun nedeni, yayılan NV merkez sinyalinin yoğunluğunun yerel manyetik alanla değişmesidir.
Sorun, bu tür sensörlerin kırılgan olması ve zorlu koşullarda çalışmama eğiliminde olmasıdır. Bu, gigapaskal (GPa) basınçların hüküm sürdüğü Dünya'nın içini incelemek veya çok yüksek basınçlarda üretilen hidrit süper iletkenler gibi malzemeleri araştırmak için bunların kullanılmasını zorlaştırır.
Optik olarak algılanan manyetik rezonans
Yeni çalışmada, liderliğindeki bir ekip Gang-Qin Liu arasında Pekin Ulusal Yoğun Madde Fiziği Araştırma Merkezi ve Fizik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi, bir NV merkezleri topluluğu içeren mikro elmaslardan oluşan sensörlerini yerleştirmek için elmas örs hücresi olarak bilinen mikroskobik bir yüksek basınç odası yaratarak başladı. Bu tür sensörler, numunenin önce bir lazer kullanılarak (bu durumda 532 nm dalga boyunda) uyarıldığı ve ardından mikrodalga darbeleriyle manipüle edildiği, optik olarak algılanan manyetik rezonans (ODMR) adı verilen bir teknik sayesinde çalışır. Araştırmacılar, yüksek basınçlara dayanıklı ince bir platin tel kullanarak mikrodalga darbelerini uyguladılar. Son adım, yayılan flüoresanı ölçmektir.
Liu, "Deneyimizde, önce NV merkezlerinin fotolüminesansını farklı basınçlar altında ölçtük" diye açıklıyor. "Neredeyse 100 GPa'da flüoresan gözlemledik; bu, bizi daha sonra ODMR ölçümleri yapmaya iten beklenmedik bir sonuç."
Tek bir noktada geniş bir NV merkezleri topluluğu
Sonuç bir sürpriz olsa da Liu, elmas kafesin çok kararlı olduğunu ve 100 GPa (1Mbar veya deniz seviyesinde Dünya atmosferik basıncının yaklaşık 1 milyon katı) basınçlarda bile faz geçişine uğramadığını belirtiyor. Ve bu tür yüksek basınçlar NV merkezlerinin enerji seviyelerini ve optik özelliklerini değiştirirken, modifikasyon hızı daha yüksek basınçlarda yavaşlayarak flüoresansın devam etmesine izin verir. Öyle bile olsa anlatıyor Fizik dünyası Mbar basınçlarında ODMR spektrumları elde etmek "kolay bir iş değildi".
"Üstesinden gelmemiz gereken birçok teknik zorluk var" diyor. "Özellikle bir tanesi, yüksek basınçların NV floresan sinyalini azaltması ve ekstra arka plan floresansı getirmesidir."
Araştırmacılar, geniş bir NV merkezleri topluluğu kullanarak bu sorunların üstesinden geldiler (~5 × 105 tek bir mikro elmasta) ve deneysel sistemlerinin ışık toplama verimliliğini optimize ediyor. Ancak endişeleri bununla da bitmedi. Ayrıca, basınç dağılımındaki herhangi bir homojen olmayan durum OMDR spektrumunu genişleteceğinden ve sinyal kontrastını bozacağından, sensör üzerinde büyük bir basınç gradyanından kaçınmaları gerekiyordu.
"Bu zorluğun üstesinden gelmek için, basınç ortamı olarak potasyum bromürü (KBr) seçtik ve tespit hacmini yaklaşık 1 um ile sınırladık.3”diyor Liu. "Bu yaklaşımı kullanarak yaklaşık 140 GPa'da NV merkezlerinin ODMR'sini elde edebildik."
NV merkezlerindeki enerji seviyelerinin basınca bağlı değişikliklerinin beklenenden daha küçük olduğu ortaya çıktığı için, maksimum basıncın daha da yüksek olabileceğini ekliyor. Liu, "Bu hedefe ulaşmanın en önemli zorluğu, küçük veya hiç basınç gradyanı olmayan yüksek basınçlar üretmektir" diyor. "Bu, basınç ileten ortam olarak asil gaz kullanılarak mümkün olabilir."
Tünel bulmak için açık havada kullanılan kuantum yerçekimi gradyan sensörü
Liu ve meslektaşlarına göre, bu deneyler NV merkezlerinin şu şekilde kullanılabileceğini gösteriyor: bünyesinde Mbar basınçlarında malzemelerin manyetik özelliklerini incelemek için kuantum sensörleri. Bir örnek, LaH'deki Meissner etkisini (manyetik alan hariç tutma) araştırmak olabilir.10 , yalnızca 160 GPa'nın üzerindeki basınçlarda sentezlenebilen yüksek sıcaklıklı bir süper iletken.
Araştırmacılar şimdi sensörlerini optimize etmeyi ve yüksek basınç limitlerini belirlemeyi planlıyorlar. Ayrıca (floresan toplama verimliliğini optimize ederek) manyetik hassasiyetlerini geliştirmeyi ve çok modlu algılama şemaları geliştirmeyi (örneğin, aynı anda sıcaklık ve manyetik alanı ölçmek) umuyorlar.
Şu anki çalışmalarını detaylandırıyorlar Çin Fiziği Mektupları.
