Квантовые сенсоры раскрывают преобразования материалов под экстремальным давлением

Ячейки с алмазными наковальнями сделали возможным для учёных воссоздавать экстремальные явления, такие как давящие давления глубоко внутри мантии Земли, или позволять химическим реакциям, которые могут быть запущены только интенсивным давлением, всё в пределах лабораторного аппарата. Для разработки новых высокопроизводительных материалов учёные должны понимать, как полезные свойства, такие как магнетизм и прочность, меняются под такими суровыми условиями. Но часто измерение этих свойств с достаточной чувствительностью требует сенсора, который может выдерживать давящие силы внутри ячейки с алмазной наковальней. Превращая естественные атомные дефекты внутри алмазных наковален в крошечные квантовые сенсоры, учёные разработали инструмент, открывающий дверь к широкому спектру экспериментов, недоступных для конвенциональных сенсоров.

На атомном уровне алмазы должны свою прочность атомам углерода, связанным вместе в тетраэдрическую кристаллическую структуру. Но когда алмазы формируются, некоторые атомы углерода могут быть выбиты из их «решеточного места», пространства в кристаллической структуре, которое похоже на их назначенное парковочное место. Когда атом азота, запертый в кристалле, сидит рядом с пустым местом, образуется специальный атомный дефект: азотно-вакансный (NV) центр. Учёные использовали NV-центры как крошечные сенсоры для измерения магнетизма одного белка, электрического поля от одного электрона и температуры внутри живой клетки.

Чтобы воспользоваться внутренними сенсорными свойствами NV-центров, исследователи спроектировали тонкий слой из них прямо внутри алмазной наковальни, чтобы сделать снимок физики внутри высокодавления камеры. После генерации слоя сенсоров NV-центров толщиной в несколько сотен атомов внутри алмазов в одну десятую карата, исследователи протестировали способность NV-сенсоров измерять высокодавленную камеру алмазной наковальни.

Сенсоры светятся блестящим оттенком красного при возбуждении лазерным светом. Зондируя яркость этой флуоресценции, исследователи смогли увидеть, как сенсоры реагировали на небольшие изменения в их окружении. NV-сенсоры предложили, что однажды плоская поверхность алмазной наковальни начала изгибаться в центре под давлением — явление, называемое «cupping», концентрация давления к центру кончиков наковальни.

Теперь, когда они продемонстрировали, как спроектировать NV-центры в ячейки с алмазными наковальнями, исследователи планируют использовать устройство для изучения магнитного поведения сверхпроводящих гидридов — материалов, проводящих электричество без потерь при комнатной температуре под высоким давлением, что может революционизировать то, как энергия хранится и передаётся.