Tiny Quantum Sensors Zie materialen transformeren onder druk

Diamanten aambeeldcellen hebben het voor wetenschappers mogelijk gemaakt om extreme verschijnselen na te bootsen, zoals de verpletterende druk diep in de aardmantel, of om chemische reacties mogelijk te maken die alleen kunnen worden veroorzaakt door intense druk, allemaal binnen de grenzen van een laboratoriumapparaat. Om nieuwe, hoogwaardige materialen te ontwikkelen, moeten wetenschappers begrijpen hoe nuttige eigenschappen, zoals magnetisme en sterkte, veranderen onder zulke barre omstandigheden. Maar vaak vereist het meten van deze eigenschappen met voldoende gevoeligheid een sensor die bestand is tegen de verpletterende krachten in een diamanten aambeeldcel. Door natuurlijke atomaire gebreken in de diamanten aambeelden om te zetten in kleine kwantumsensoren, hebben wetenschappers een hulpmiddel ontwikkeld dat de deur opent naar een breed scala aan experimenten die ontoegankelijk zijn voor conventionele sensoren.

Op atomair niveau danken diamanten hun stevigheid aan koolstofatomen die samengebonden zijn in een tetraëdrische kristalstructuur. Maar wanneer diamanten worden gevormd, kunnen sommige koolstofatomen uit hun "roosterplaats" worden gestoten, een ruimte in de kristalstructuur die lijkt op hun toegewezen parkeerplaats. Wanneer een stikstofatoom onzuiverheid gevangen in het kristal naast een lege plaats zit, vormt zich een speciaal atoomdefect:een stikstof-vacature (NV) centrum. Wetenschappers hebben NV-centra gebruikt als kleine sensoren om het magnetisme van een enkel eiwit, het elektrische veld van een enkel elektron en de temperatuur in een levende cel te meten.

Om te profiteren van de intrinsieke detectie-eigenschappen van de NV-centra, hebben onderzoekers een dunne laag ervan direct in het diamanten aambeeld geconstrueerd om een ​​momentopname te maken van de fysica in de hogedrukkamer. Na het genereren van een laag NV-centrumsensoren met een dikte van een paar honderd atomen in diamanten van een tiende karaat, testten de onderzoekers het vermogen van de NV-sensoren om de hogedrukkamer van de diamantaambeeldcel te meten.

De sensoren gloeien een schitterende rode tint wanneer ze worden bekrachtigd met laserlicht. Door de helderheid van deze fluorescentie te onderzoeken, konden de onderzoekers zien hoe de sensoren reageerden op kleine veranderingen in hun omgeving. De NV-sensoren suggereerden dat het eens zo platte oppervlak van het diamanten aambeeld onder druk in het midden begon te krommen - een fenomeen dat 'cupping' wordt genoemd, een concentratie van de druk naar het midden van de aambeeldpunten.

Nu ze hebben aangetoond hoe NV-centra in diamanten aambeeldcellen kunnen worden geconstrueerd, zijn de onderzoekers van plan het apparaat te gebruiken om het magnetische gedrag van supergeleidende hydriden te onderzoeken - materialen die elektriciteit geleiden zonder verlies in de buurt van kamertemperatuur bij hoge druk, wat een revolutie zou kunnen betekenen voor de manier waarop energie wordt opgeslagen en overgedragen.