Små kvantesensorer ser materialer transformere under tryk

Siden deres opfindelse for mere end 60 år siden, diamantamboltceller har gjort det muligt for forskere at genskabe ekstreme fænomener - såsom knustrykket dybt inde i Jordens kappe - eller at muliggøre kemiske reaktioner, der kun kan udløses af intens tryk, alt sammen inden for rammerne af et laboratorieapparat, som du trygt kan holde i din hule hånd.

At udvikle nye, højtydende materialer, videnskabsmænd skal forstå, hvordan nyttige egenskaber, såsom magnetisme og styrke, ændre sig under så hårde forhold. Men ofte, måling af disse egenskaber med tilstrækkelig følsomhed kræver en sensor, der kan modstå knusningskræfterne inde i en diamantamboltcelle.

Siden 2018 har forskere ved Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC), et Energy Frontier Research Center ledet af det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), har søgt at forstå, hvordan egenskaberne af elektroniske og optiske materialer kan udnyttes til at udvikle ultrafølsomme sensorer, der er i stand til at måle elektriske og magnetiske felter.

Nu, et team af forskere ledet af Berkeley Lab og UC Berkeley, med støtte fra NPQC, har fundet en smart løsning:Ved at omdanne naturlige atomare fejl inde i diamantamboltene til små kvantesensorer, forskerne har udviklet et værktøj, der åbner døren til en lang række forsøg, der ikke er tilgængelige for konventionelle sensorer. Deres fund, som blev rapporteret i journalen Videnskab , har betydning for en ny generation af smarte, designer materialer, samt syntese af nye kemiske forbindelser, atomisk finjusteret ved tryk.

At gøre atomfejl til sensorer

På atomniveau, diamanter skylder deres robusthed til carbonatomer bundet sammen i en tetraedrisk krystalstruktur. Men når diamanter dannes, nogle kulstofatomer kan blive stødt ud af deres "gittersted, " et rum i krystalstrukturen, der ligner deres tildelte parkeringsplads. Når en nitrogenatomurenhed fanget i krystallen sidder ved siden af ​​et tomt sted, en særlig atomare defekt dannes:et nitrogen-vacancy (NV) center.

I løbet af det sidste årti, forskere har brugt NV -centre som små sensorer til at måle magnetismen af ​​et enkelt protein, det elektriske felt fra en enkelt elektron, og temperaturen inde i en levende celle, forklarede Norman Yao, fakultetsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division og assisterende professor i fysik ved UC Berkeley.

For at drage fordel af NV-centrenes iboende sanseegenskaber, Yao og kolleger konstruerede et tyndt lag af dem direkte inde i diamantambolten for at tage et øjebliksbillede af fysikken i højtrykskammeret.

Billedspænding inde i diamantamboltcellen

Efter at have genereret et lag NV-centersensorer på et par hundrede atomer i tykkelse inde i en tiendedel karat diamanter, forskerne testede NV-sensorernes evne til at måle diamantamboltcellens højtrykskammer.

Sensorerne lyser i en strålende rød nuance, når de exciteres med laserlys; ved at undersøge lysstyrken af ​​denne fluorescens, forskerne kunne se, hvordan sensorerne reagerede på små ændringer i deres miljø.

Det, de fandt, overraskede dem:NV-sensorerne antydede, at den engang så flade overflade af diamantambolten begyndte at krumme i midten under tryk.

Medforfatter Raymond Jeanloz, professor i jord- og planetvidenskab ved UC Berkeley, og hans team identificerede fænomenet som "cupping" - en koncentration af trykket mod midten af ​​amboltspidserne.

"De havde kendt til denne effekt i årtier, men var vant til at se den med 20 gange så høj pres, hvor du kan se krumningen med øjet, "Sagde Yao." Bemærkelsesværdigt, vores diamantamboltsensor var i stand til at detektere denne lille krumning ved selv de laveste tryk."

Der var andre overraskelser, også. Når en methanol/ethanol-blanding de pressede gennemgik en glasovergang fra en væske til et fast stof, diamantoverfladen blev fra en glat skål til en takket, struktureret overflade. Mekaniske simuleringer udført af medforfatter Valery Levitas fra Iowa State University og Ames Laboratory bekræftede resultatet.

"Dette er en fundamentalt ny måde at måle faseovergange i materialer ved højt tryk, og vi håber, at dette kan supplere konventionelle metoder, der udnytter kraftig røntgenstråling fra en synkrotronkilde, "sagde hovedforfatter Satcher Hsieh, en doktorgradsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division og i Yao Group ved UC Berkeley.

Co-lead forfattere med Hsieh er kandidatstuderende forsker Prabudhya Bhattacharyya og postdoc-forsker Chong Zu fra Yao-gruppen ved UC Berkeley.

Magnetisme under pres

I et andet eksperiment, forskerne brugte deres udvalg af NV -sensorer til at fange et magnetisk "øjebliksbillede" af jern og gadolinium.

Jern og gadolinium er magnetiske metaller. Forskere har længe vidst, at komprimering af jern og gadolinium kan ændre dem fra en magnetisk fase til en ikke -magnetisk fase, et resultat af, hvad videnskabsmænd kalder en "trykinduceret faseovergang." I tilfælde af jern, forskerne afbildede direkte denne overgang ved at måle udtømningen af ​​det magnetiske felt, der genereres af en jernperle på mikronstørrelse (eller en milliontedel af en meter) inde i højtrykskammeret.

I tilfælde af gadolinium, forskerne tog en anden tilgang. I særdeleshed, elektronerne inde i gadolinium "suser gladeligt rundt i tilfældige retninger, " og denne kaotiske "mosh pit" af elektroner genererer et fluktuerende magnetfelt, som NV-sensoren kan måle, sagde Hsieh.

Forskerne bemærkede, at NV-centersensorerne kan vende ind i forskellige magnetiske kvantetilstande i nærvær af magnetiske udsving, meget ligesom hvordan en kompasnål drejer i forskellige retninger, når du vifter med en stangmagnet i nærheden af ​​den.

Så de postulerede, at ved at time, hvor lang tid det tog for NV-centrene at skifte fra en magnetisk tilstand til en anden, de kunne karakterisere gadoliniumets magnetiske fase ved at måle den magnetiske "støj", der stammer fra gadoliniumelektronernes bevægelse.

De fandt ud af, at når gadolinium er i en ikke-magnetisk fase, dens elektroner er dæmpet, og dets magnetiske feltsvingninger er derfor svage. Efterfølgende, NV -sensorerne forbliver i en enkelt magnetisk kvantetilstand i lang tid - næsten hundrede mikrosekunder.

Omvendt når gadoliniumprøven skiftede til en magnetisk fase, elektronerne bevægede sig hurtigt rundt, får den nærliggende NV -sensor til hurtigt at vende til en anden magnetisk kvantetilstand.

Denne pludselige ændring gav klare beviser på, at gadolinium var gået ind i en anden magnetisk fase, Hsieh sagde, tilføjede, at deres teknik tillod dem at lokalisere magnetiske egenskaber på tværs af prøven med submikronpræcision i modsætning til gennemsnittet over hele højtrykskammeret som i tidligere undersøgelser.

Forskerne håber, at denne "støjspektroskopi"-teknik vil give forskerne et nyt værktøj til at udforske faser af magnetisk stof, der kan bruges som grundlag for mindre, hurtigere, og billigere måder at gemme og behandle data på gennem næste generations ultrahurtige spintronic-enheder.

Næste skridt

Nu hvor de har demonstreret, hvordan man konstruerer NV-centre til diamantamboltceller, forskerne planlægger at bruge deres enhed til at udforske den magnetiske opførsel af superledende hydrider - materialer, der leder elektricitet uden tab nær stuetemperatur ved højt tryk, som kan revolutionere hvordan energi lagres og overføres.

Og de vil også gerne udforske videnskab uden for fysik. "Det, der er mest spændende for mig, er, at dette værktøj kan hjælpe så mange forskellige videnskabelige samfund, " siger Hsieh. "Det er opstået samarbejder med grupper lige fra højtrykskemikere til Mars-palæomagnetister til kvantematerialeforskere."

Forskere fra Berkeley Lab; UC Berkeley; Ludwig-Maximilian-Universität, Tyskland; Iowa State University; Carnegie Institution of Washington, Washington, D.C .; og Ames Laboratory deltog i arbejdet.