Згідно з дослідженням фізиків з Китайської академії наук у Пекіні, квантові датчики, засновані на мікроскопічних дефектах кристалічної структури алмазу, можуть працювати при тиску до 140 гігапаскалів. Це відкриття встановлює рекорд для робочого тиску квантових датчиків, заснованих на так званих центрах азотних вакансій (NV), і їхня нова довговічність може принести користь дослідженням фізики конденсованих середовищ і геофізики.
NV-центри виникають, коли два сусідні атоми вуглецю в алмазі замінюються атомом азоту та порожнім вузлом решітки. Вони діють як крихітні квантові магніти з різними спінами, і при збудженні лазерними імпульсами флуоресцентний сигнал, який вони випромінюють, можна використовувати для спостереження за незначними змінами магнітних властивостей сусіднього зразка матеріалу. Це пояснюється тим, що інтенсивність випромінюваного центрального сигналу NV змінюється залежно від місцевого магнітного поля.
Проблема в тому, що такі датчики крихкі і, як правило, не працюють у важких умовах. Це ускладнює їх використання для вивчення надр Землі, де переважає тиск у гігапаскалях (ГПа), або для дослідження матеріалів, таких як гідридні надпровідники, які виготовляються при дуже високому тиску.
Оптично виявлений магнітний резонанс
У новій роботі команда на чолі з Ган-Цінь Лю в Пекінський національний дослідницький центр фізики конденсованих систем та Інститут фізики Китайської академії наук, почали зі створення мікроскопічної камери високого тиску, відомої як комірка з алмазним ковадлом, у якій розмістили свої датчики, які складалися з мікроалмазів, які містять ансамбль NV-центрів. Датчики цього типу працюють завдяки техніці, яка називається оптично виявленим магнітним резонансом (ОДМР), у якій зразок спочатку збуджується за допомогою лазера (в даному випадку з довжиною хвилі 532 нм), а потім маніпулюється за допомогою мікрохвильових імпульсів. Дослідники застосували мікрохвильові імпульси за допомогою тонкого платинового дроту, який витримує високий тиск. Останнім кроком є вимірювання випромінюваної флуоресценції.
«У нашому експерименті ми спочатку виміряли фотолюмінесценцію NV-центрів під різними тисками», — пояснює Лю. «Ми спостерігали флуоресценцію при майже 100 ГПа, несподіваний результат, який змусив нас виконати наступні вимірювання ODMR».
Великий ансамбль центрів NV в одному місці
Хоча результат був чимось несподіваним, Лю зазначає, що решітка алмазу дуже стабільна і не зазнає фазових переходів навіть при тиску 100 ГПа (1 Мбар, або майже в 1 мільйон разів перевищує атмосферний тиск Землі на рівні моря). І хоча такі високі тиски справді змінюють рівні енергії та оптичні властивості NV-центрів, швидкість модифікації сповільнюється при вищих тисках, дозволяючи флуоресценції зберігатися. Незважаючи на це, розповідає він Світ фізики було «нелегким завданням» отримати спектри ODMR при тиску Мбар.
«Є багато технічних проблем, які нам потрібно подолати», — каже він. «Зокрема, високий тиск зменшує сигнал флуоресценції NV і створює додаткову фонову флуоресценцію».
Дослідники подолали ці проблеми, використовуючи великий ансамбль NV-центрів (~5 × 105 в одному мікроалмазі) та оптимізації ефективності збору світла їхньої експериментальної системи. Але на цьому їхні хвилювання не закінчилися. Їм також потрібно було уникнути великого градієнта тиску над датчиком, оскільки будь-яка неоднорідність у розподілі тиску розширила б спектри OMDR і погіршила контраст сигналу.
«Щоб вирішити цю проблему, ми вибрали бромід калію (KBr) як середовище під тиском і обмежили об’єм виявлення приблизно до 1 мкм.3", - каже Лю. «Використовуючи цей підхід, ми змогли отримати ODMR центрів NV при майже 140 ГПа».
Максимальний тиск може бути навіть вищим, додає він, оскільки спричинені тиском модифікації рівнів енергії в центрах NV виявилися меншими, ніж очікувалося. «Основним завданням для досягнення цієї мети є створення високого тиску з невеликим градієнтом тиску або без нього», — говорить Лю. «Це можливо, використовуючи благородний газ як середовище, що передає тиск».
Квантовий гравітаційний градієнтний датчик, який використовується на вулиці для пошуку тунелю
За словами Лю та його колег, ці експерименти показують, що центри NV можна використовувати як на місці квантові сенсори для дослідження магнітних властивостей матеріалів при тиску Мбар. Одним із прикладів може бути дослідження ефекту Мейснера (виключення магнітного поля) у LaH10 , високотемпературний надпровідник, який можна синтезувати лише при тиску понад 160 ГПа.
Тепер дослідники планують оптимізувати свої датчики та визначити межу високого тиску. Вони також сподіваються покращити свою магнітну чутливість (шляхом оптимізації ефективності збирання флуоресценції) і розробити мультимодальні схеми зондування – наприклад, вимірювання температури та магнітного поля одночасно.
Вони детально описують своє поточне дослідження в Китайські літери з фізики.
