根据北京中国科学院物理学家的研究，基于金刚石晶体结构微观缺陷的量子传感器可以在高达 140 吉帕的压力下工作。 这一发现创下了基于所谓氮空位 (NV) 中心的量子传感器的工作压力记录，它们新发现的耐久性可能有利于凝聚态物理学和地球物理学的研究。
当金刚石中的两个相邻碳原子被一个氮原子和一个空晶格位置取代时，就会出现 NV 中心。 它们就像具有不同自旋的微型量子磁铁，当被激光脉冲激发时，它们发出的荧光信号可用于监测附近材料样本磁性的轻微变化。 这是因为发射的 NV 中心信号的强度随局部磁场而变化。
问题是这样的传感器很脆弱，往往不能在恶劣的条件下工作。 这使得它们很难用于研究地球内部，那里存在千兆帕 (GPa) 压力，或者研究在非常高的压力下制造的氢化物超导体等材料。
光学检测磁共振
在新的工作中，一个团队由 刘刚勤 的 北京国家凝聚态物理研究中心 和 中国科学院物理研究所, 首先创建一个称为金刚石砧室的微型高压室，在其中放置他们的传感器，该传感器由包含一组 NV 中心的微金刚石组成。 这种类型的传感器的工作归功于一种称为光学检测磁共振 (ODMR) 的技术，该技术首先使用激光（在这种情况下波长为 532 nm）激发样品，然后通过微波脉冲进行操作。 研究人员使用耐高压的细铂丝施加微波脉冲。 最后一步是测量发射的荧光。
“在我们的实验中，我们首先测量了 NV 中心在不同压力下的光致发光，”刘解释道。 “我们观察到近 100 GPa 的荧光，这是一个意想不到的结果，促使我们进行后续的 ODMR 测量。”
一个地点的大量 NV 中心
虽然结果有些出人意料，但 Liu 指出，金刚石晶格非常稳定，不会发生相变，即使在 100 GPa（1 兆巴，或海平面地球大气压力的近 1 万倍）的压力下也是如此。 虽然如此高的压力确实会改变 NV 中心的能级和光学特性，但在更高的压力下改变速度会减慢，从而使荧光持续存在。 尽管如此，他还是告诉 物理世界 在 Mbar 压力下获得 ODMR 谱图“绝非易事”。
“我们必须克服许多技术挑战，”他说。 “特别是高压会降低 NV 荧光信号并带来额外的背景荧光。”
研究人员通过使用大量 NV 中心 (~5 × 105 在一个单一的微金刚石中）并优化了他们实验系统的光收集效率。 但他们的担忧并没有就此结束。 他们还需要避免传感器上出现较大的压力梯度，因为压力分布的任何不均匀性都会加宽 OMDR 光谱并降低信号对比度。
“为应对这一挑战，我们选择溴化钾 (KBr) 作为压力介质，并将检测体积限制在 1 um 左右3”刘说。 “使用这种方法，我们能够在近 140 GPa 的压力下获得 NV 中心的 ODMR。”
他补充说，最大压力可能更高，因为压力引起的 NV 中心能级变化比预期的要小。 “实现这一目标的关键挑战是产生压力梯度很小或没有压力梯度的高压，”刘说。 “这可能使用惰性气体作为压力传输介质。”
量子重力梯度传感器用于户外寻找隧道
根据 Liu 及其同事的说法，这些实验表明 NV 中心可以用作 原位 用于研究 Mbar 压力下材料磁性的量子传感器。 一个例子可能是探测 LaH 中的迈斯纳效应（磁场排除）10 ，一种只能在 160 GPa 以上的压力下合成的高温超导体。
研究人员现在计划优化他们的传感器并确定他们的高压极限。 他们还希望提高磁灵敏度（通过优化荧光收集效率）并开发多模式传感方案——例如，同时测量温度和磁场。
他们详细介绍了他们目前的研究 中国物理快报.
