Theo nghiên cứu của các nhà vật lý tại Học viện Khoa học Trung Quốc ở Bắc Kinh, các cảm biến lượng tử dựa trên các lỗ hổng cực nhỏ trong cấu trúc tinh thể của kim cương có thể hoạt động ở áp suất cao tới 140 gigapascal. Phát hiện này lập kỷ lục về áp suất vận hành của các cảm biến lượng tử dựa trên cái gọi là trung tâm chỗ trống nitơ (NV), và độ bền mới phát hiện của chúng có thể mang lại lợi ích cho các nghiên cứu về vật lý vật chất ngưng tụ và địa vật lý.
Các trung tâm NV xảy ra khi hai nguyên tử carbon lân cận trong kim cương được thay thế bằng một nguyên tử nitơ và một vị trí mạng trống. Chúng hoạt động giống như những nam châm lượng tử cực nhỏ với các spin khác nhau và khi được kích thích bằng các xung laze, tín hiệu huỳnh quang mà chúng phát ra có thể được sử dụng để theo dõi những thay đổi nhỏ trong tính chất từ tính của một mẫu vật liệu gần đó. Điều này là do cường độ của tín hiệu trung tâm NV phát ra thay đổi theo từ trường cục bộ.
Vấn đề là các cảm biến như vậy rất mỏng manh và có xu hướng không hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt. Điều này gây khó khăn cho việc sử dụng chúng để nghiên cứu bên trong Trái đất, nơi áp suất gigapascal (GPa) chiếm ưu thế hoặc nghiên cứu các vật liệu như chất siêu dẫn hydrua, được chế tạo ở áp suất rất cao.
Cộng hưởng từ được phát hiện bằng quang học
Trong tác phẩm mới, một nhóm do Lưu Cương Tần của Trung tâm Nghiên cứu Quốc gia về Vật lý Vật chất Ngưng tụ Bắc Kinh và Viện Vật lý, Viện Khoa học Trung Quốc, bắt đầu bằng cách tạo ra một buồng áp suất cao cực nhỏ được gọi là ô đe kim cương để đặt các cảm biến của chúng, bao gồm các vi kim cương chứa một tập hợp các trung tâm NV. Các cảm biến loại này hoạt động nhờ một kỹ thuật gọi là cộng hưởng từ được phát hiện bằng quang học (ODMR), trong đó mẫu được kích thích lần đầu tiên bằng cách sử dụng tia laze (trong trường hợp này là bước sóng 532 nm) và sau đó được điều khiển thông qua các xung vi sóng. Các nhà nghiên cứu đã áp dụng các xung vi sóng bằng cách sử dụng một dây bạch kim mỏng, bền với áp suất cao. Bước cuối cùng là đo huỳnh quang phát ra.
Liu giải thích: “Trong thí nghiệm của chúng tôi, trước tiên chúng tôi đo sự phát quang của các trung tâm NV dưới các áp suất khác nhau. “Chúng tôi đã quan sát thấy huỳnh quang ở gần 100 GPa, một kết quả bất ngờ khiến chúng tôi phải thực hiện các phép đo ODMR tiếp theo.”
Một nhóm lớn các trung tâm NV tại một điểm
Mặc dù kết quả gây bất ngờ, nhưng Liu lưu ý rằng mạng kim cương rất ổn định và không trải qua quá trình chuyển pha, ngay cả ở áp suất 100 GPa (1Mbar, hoặc gần 1 triệu lần áp suất khí quyển của Trái đất ở mực nước biển). Và trong khi áp suất cao như vậy làm thay đổi mức năng lượng và tính chất quang học của tâm NV, tốc độ sửa đổi chậm lại ở áp suất cao hơn, cho phép sự phát huỳnh quang tồn tại. Mặc dù vậy, ông nói Thế giới vật lý đó là “nhiệm vụ không dễ dàng” để thu được phổ ODMR ở áp suất Mbar.
Ông nói: “Có rất nhiều thách thức kỹ thuật mà chúng tôi phải vượt qua. “Một điều đặc biệt là áp suất cao làm giảm tín hiệu huỳnh quang NV và mang lại nhiều huỳnh quang nền hơn.”
Các nhà nghiên cứu đã khắc phục những vấn đề này bằng cách sử dụng một nhóm lớn các trung tâm NV (~5 × 105 trong một viên kim cương siêu nhỏ) và tối ưu hóa hiệu suất thu ánh sáng của hệ thống thí nghiệm của họ. Nhưng những lo lắng của họ không dừng lại ở đó. Họ cũng cần tránh chênh lệch áp suất lớn trên cảm biến, vì bất kỳ sự không đồng nhất nào trong phân bố áp suất sẽ mở rộng phổ OMDR và làm giảm độ tương phản của tín hiệu.
“Để đáp ứng thách thức này, chúng tôi đã chọn kali bromua (KBr) làm môi trường áp suất và giới hạn thể tích phát hiện ở mức khoảng 1 um.3”, Liu nói. “Chúng tôi có thể đạt được ODMR của các trung tâm NV ở gần 140 GPa bằng cách sử dụng phương pháp này.”
Ông cho biết thêm, áp suất tối đa có thể còn cao hơn, do sự thay đổi mức năng lượng do áp suất gây ra ở các trung tâm NV hóa ra lại nhỏ hơn dự kiến. Liu cho biết: “Thách thức chính để đạt được mục tiêu này là tạo ra áp suất cao với độ dốc áp suất nhỏ hoặc không có. “Điều này có thể khả thi khi sử dụng khí hiếm làm môi trường truyền áp suất.”
Cảm biến gradient trọng lực lượng tử được sử dụng ngoài trời để tìm đường hầm
Theo Liu và các đồng nghiệp, những thí nghiệm này cho thấy các trung tâm NV có thể được sử dụng như trên trang web cảm biến lượng tử để nghiên cứu tính chất từ của vật liệu ở áp suất Mbar. Một ví dụ có thể là thăm dò hiệu ứng Meissner (loại trừ từ trường) trong LaH10 , một chất siêu dẫn nhiệt độ cao chỉ có thể được tổng hợp ở áp suất trên 160 GPa.
Các nhà nghiên cứu hiện có kế hoạch tối ưu hóa cảm biến của họ và xác định giới hạn áp suất cao của họ. Họ cũng hy vọng cải thiện độ nhạy từ tính của chúng (bằng cách tối ưu hóa hiệu suất thu thập huỳnh quang) và phát triển các sơ đồ cảm biến đa phương thức – ví dụ, đo đồng thời nhiệt độ và từ trường.
Họ trình bày chi tiết nghiên cứu hiện tại của họ trong Chữ cái Vật lý Trung Quốc.
