Крошечные квантовые датчики видят, как материалы трансформируются под давлением

Камеры с алмазными наковальнями позволили ученым воссоздать экстремальные явления, такие как сокрушительное давление глубоко внутри земной мантии, или запустить химические реакции, которые могут быть вызваны только интенсивным давлением, и все это в рамках лабораторного оборудования. Чтобы разработать новые высокоэффективные материалы, ученым необходимо понять, как полезные свойства, такие как магнетизм и прочность, меняются в таких суровых условиях. Но часто для измерения этих свойств с достаточной чувствительностью требуется датчик, способный выдерживать сдавливающие силы внутри ячейки алмазной наковальни. Превратив естественные атомные дефекты внутри алмазных наковальней в крошечные квантовые датчики, ученые разработали инструмент, который открывает двери для широкого спектра экспериментов, недоступных для обычных датчиков.

На атомном уровне алмазы обязаны своей прочностью атомам углерода, связанным вместе в тетраэдрической кристаллической структуре. Но когда формируются алмазы, некоторые атомы углерода могут быть выбиты из своего «узла решетки», пространства в кристаллической структуре, похожего на назначенное им парковочное место. Когда примесь атома азота, захваченная в кристалле, оказывается рядом с незанятым узлом, образуется особый атомный дефект — азотно-вакансионный (НВ) центр. Ученые использовали NV-центры в качестве крошечных датчиков для измерения магнетизма одного белка, электрического поля одного электрона и температуры внутри живой клетки.

Чтобы воспользоваться внутренними сенсорными свойствами NV-центров, исследователи создали их тонкий слой непосредственно внутри алмазной наковальни, чтобы сделать снимок физики внутри камеры высокого давления. После создания слоя центральных датчиков NV толщиной в несколько сотен атомов внутри алмазов весом в одну десятую карата исследователи проверили способность датчиков NV измерять камеру высокого давления алмазной наковальни.

Датчики светятся ярко-красным цветом при возбуждении лазерным светом. Измерив яркость этой флуоресценции, исследователи смогли увидеть, как датчики реагируют на небольшие изменения в окружающей среде. Датчики NV предположили, что когда-то плоская поверхность алмазной наковальни начала изгибаться в центре под давлением — явление, называемое «чашкой», когда давление концентрируется к центру кончиков наковальни.

Теперь, когда они продемонстрировали, как спроектировать NV-центры в ячейках с алмазными наковальнями, исследователи планируют использовать это устройство для изучения магнитного поведения сверхпроводящих гидридов — материалов, которые проводят электричество без потерь при температуре около комнатной при высоком давлении, что может революционизировать способы получения энергии. хранится и передается.