Kwantumsensoren onthullen materiaaltransformaties onder extreme druk

Diamant ancelcellen hebben het voor wetenschappers mogelijk gemaakt om extreme fenomene na te bootsen, zoals de knikkende diep in de aardemantel, of om chemische reacties mogelijk te maken die alleen door intense druk getriggerd kunnen worden, allemaal binnen de grenzen van een laboratoriumapparaat. Om nieuwe, hoog-presterende materialen te ontwikkelen, moeten wetenschappers begrijpen hoe nuttige eigenschappen, zoals magnetisme en sterkte, onder dergelijke harde omstandigheden veranderen. Maar vaak vereist het meten van deze eigenschappen met voldoende gevoeligheid een sensor die de knikkende krachten binnen een diamant ancelcel kan weerstaan. Door natuurlijke atoomfouten binnen de diamant ancels om te zetten in kleine kwantumsensoren, hebben wetenschappers een tool ontwikkeld die de deur opent voor een breed scala aan experimenten ontoegankelijk voor conventionele sensoren.

Op atoomniveau danken diamanten hun stevigheid aan koolstofatomen gebonden in een tetrahedrische kristalstructuur. Maar wanneer diamanten vormen, kunnen sommige koolstofatomen uit hun "roosterplaats" geduwd worden, een ruimte in de kristalstructuur die als hun toegewezen parkeerplaats is. Wanneer een stikstofatoomimpureit vastzit in het kristal naast een lege plaats, vormt een speciale atoomdefect: een stikstof-vacantie (NV) centrum. Wetenschappers hebben NV-centra gebruikt als kleine sensoren om het magnetisme van een enkel eiwit, het elektrische veld van een enkel elektrron, en de temperatuur binnenin een levende cel te meten.

Om te profiteren van de intrinsieke waarnemingseigenschappen van NV-centra, ontwierpen onderzoekers een dunne laag ervan direct binnenin de diamant ancels om een snapshot te maken van de fysica binnen de hoge-druk kamer. Na het genereren van een laag NV-centrumsensoren van een paar honderd atomen dikte binnen een-tiende karaat diamanten, testten de onderzoekers de NV-sensoren's vermogen om de hoge-druk kamer van de diamant ancelcel te meten.

De sensoren stralen een briljante rode kleur uit wanneer geëxciteerd met laserlicht. Door de helderheid van deze fluorescentie te onderzoeken, waren de onderzoekers in staat te zien hoe de sensoren reageerden op kleine veranderingen in hun omgeving. De NV-sensoren suggereerden dat het ooit-platte oppervlak van de diamant ancel begon te buigen in het midden onder druk — een fenomeen genaamd "cupping," een concentratie van de druk naar de punt van de ancelpuntjes.

Nu ze gedemonstreerd hebben hoe NV-centra in diamant ancelcellen geïntegreerd kunnen worden, plannen de onderzoekers het apparaat te gebruiken om het magnetische gedrag van supergeleidende hydriden te verkennen — materialen die elektriciteit zonder verlies bij kamertemperatuur onder hoge druk geleiden, wat kan revolutioneren hoe energie opgeslagen en getransporteerd wordt.