Крошечные квантовые датчики смотреть материалы трансформироваться под давлением

С момента их изобретения более 60 лет назад, алмазными наковальнями позволили ученым воссоздать экстремальных явлений, таких как тяжелые обстоятельства, в глубине мантии Земли … или для обеспечения химических реакций, которые могут быть вызваны сильным давлением, все в пределах лабораторный прибор, который можно спокойно держать в ладони.

Для разработки новых, высокоэффективных материалов, ученые должны понять, как полезных свойств, таких как магнетизм и сила, меняются в таких суровых условиях. Но часто, измеряя эти свойства с достаточной чувствительности необходим датчик, который может выдержать сокрушительные силы внутри алмазной наковальни клетки.

Начиная с 2018 года, ученые в центре новых путей в квантовой когерентности в материалах (NPQC), энергия пограничного научно-исследовательского центра во главе с США Департамента энергетики национальной лаборатории Лоренса Беркли (лаборатории Беркли), пытались понять, как свойства электронных и оптических материалов могут быть использованы для разработки сверхчувствительных измерителей электрических и магнитных полей.

Теперь, команда ученых, возглавляемая лаборатории Беркли и Калифорнийского университета в Беркли при поддержке NPQC, придумали остроумное решение: при повороте природных атомных дефектов внутри алмазной наковальни в крошечных квантовых датчиков, ученые разработали инструмент, который открывает дверь для широкого круга экспериментов, недоступных для обычных датчиков. Их выводы, которые были зарегистрированы в журнале Science, имеют последствия для нового поколения умных, дизайнерские материалы, а также синтез новых химических соединений, атомарно тонкой настройки давления.

Превращения атомных дефектов в датчиков

На атомном уровне, бриллианты обязаны их прочность и атомы углерода связаны друг с другом в тетраэдрической кристаллической структуры. Но когда бриллианты форма, некоторые атомы углерода могут получить наткнулся из-за своей «решетке», — место в кристаллической структуре, которая является как их парковочное место. Когда атом примеси азота, попавшие в кристалл, примыкающего к пустой сайт, специальный атомный дефект формы: азот-вакансия (NV), что делает центр.

За последнее десятилетие ученые использовали NV-центров, как крошечные датчики для измерения магнетизма одного белка, электрического поля от единичного электрона, и температура внутри живой клетки, объяснил Норман Яо, ученый факультета в Беркли лаборатории материаловедения отдела и профессор физики Калифорнийского университета в Беркли.

Чтобы воспользоваться НВ центров внутренних свойств зондирования, Яо и его коллеги разработали тонкий слой их непосредственно внутри алмазной наковальни для того, чтобы сделать снимок физике в камере высокого давления.

Визуализация напряжений внутри алмазной наковальни клетки

После создания слоя НВ-центр датчиков несколько сотен атомов в толщину внутри одной десятой карата алмазов, ученые проверили способность НВ датчиков для измерения высокого давления алмазные ячейки камеры.

Датчики свечения яркий красный оттенок при возбуждении лазерным светом; при зондировании яркость этого свечения, исследователи смогли увидеть, как датчики реагировали на малейшие изменения в их среде.

Что они обнаружили, удивило их: НВ датчики предположил, что когда-то плоской поверхности алмазной наковальни начали кривиться в центре под давлением.

Соавтор Раймонд Jeanloz, профессор кафедры земли и планетарных наук Калифорнийского университета в Беркли, и его команда определили явление, как «баночный» — концентрации давление к центру концы наковальни.

«Они знали про этот эффект на протяжении десятилетий, но привыкнуть к тому, что он в 20 раз давление, где можно увидеть кривизну на глаз», — сказал Яо. «Примечательно, что наши алмазные датчик был в состоянии обнаружить это крошечное искривление при даже низких давлениях».

Были и другие сюрпризы. Когда смесь метанола и этанола, их выдавили прошли стеклянного перехода из жидкого в твердый, Алмаз поверхность из гладкой миски на неровной, фактурной поверхности. Механическое моделирование, осуществленное соавтор Валерий Левитас из Университета штата Айова и лаборатории Эймса подтвердили результат.

«Это принципиально новый способ измерения фазовых превращений в материалах при высоких давлениях, и мы надеемся, что это может дополнять традиционные методы, которые используют мощные рентгеновские излучения от синхротронного источника», — сказал ведущий автор Сэтчер Се, докторской исследователь в Беркли лаборатории материаловедения отдела и Яо группы Калифорнийского университета в Беркли.

Со-ведущие авторы с Се являются аспирантка Prabudhya Бхаттачариа и постдок Чонг Цзу Яо группы Калифорнийского университета в Беркли.

Магнетизм под давлением

В другом эксперименте ученые использовали массив из НВ датчики для захвата магнитного «моментальный снимок» железа и гадолиния.

Железа и гадолиния являются магнитными металлами. Ученым давно известно, что сжатие железа и гадолиния может изменять их от магнитной фазы в немагнитных фаз, результат того, что ученые называют «давление-индуцированного фазового перехода». В случае с железом, исследователи напрямую нарисован этот переход путем измерения истощения магнитного поля, создаваемого с помощью микронного размера (или одна миллионная метра) шарик из железа внутри камеры высокого давления.

В случае гадолиния, исследователи взяли другой подход. В частности, электроны внутри гадолиний «счастливо свист вокруг в случайных направлениях,» и этот хаотичный «мош-пит» электронов создает колебания магнитного поля, что НВ датчик может измерить, сказал Се.

Исследователи отметили, что НВ датчики-центр флип в различных магнитных квантовых состояний в присутствии магнитных колебаний, как вращается стрелка компаса в разных направлениях, когда Вы помашете полосового Магнита рядом с ним.

Поэтому они предположили, что по времени, сколько времени потребовалось для NV-центров, чтобы перевернуть из одного магнитного состояния в другое, они могут характеризовать магнитной фазы гадолиния путем измерения магнитного «шума», исходящего из движения гадолиний электронов.

Они обнаружили, что, когда гадолиния находится в немагнитной фазе, его электроны подчиняются, и его колебания магнитного поля, следовательно, слабы. Впоследствии НВ датчики остановиться в одном магнитном квантовом состоянии долгое время, почти сто микросекунд.

И наоборот, когда образец гадолиния изменен к магнитной фазы, электроны перемещаются быстро, вызывая в ближайших НВ датчик, чтобы быстро перевернуть на другой магнитное квантовое состояние.

Это внезапное изменение, о чем свидетельствуют гадолиний вступил в различных магнитных фаз, сказал Шей, добавив, что их техника позволяла им точно определить магнитные свойства через образец с субмикронной точностью в отличие от усреднения по всей камере высокого давления, как и в предыдущих исследованиях.

Исследователи надеются, что этот «шумовой спектроскопии» техника позволит ученым новый инструмент для изучения фазы магнитной материи, которые могут быть использованы в качестве основы для меньше, быстрее, и дешевле, способы хранения и обработки данных с помощью нового поколения, сверхбыстрых спинтронных устройств.

Следующие шаги

Теперь, когда они показали, как инженер NV-центров в алмазных наковальнях клеток, исследователи планируют использовать свой прибор для изучения магнитного поведения сверхпроводящих гидридов — материалы, которые проводят электричество без потерь вблизи комнатной температуры при высоком давлении, которые могут произвести революцию в том, как энергия накапливается и передается.

И они также хотели бы изучить науку за пределами физики. «Самое интересное для меня заключается в том, что этот инструмент может помочь очень много различных научных сообществ», — говорит Се. «Это возникло сотрудничество с группами от высокого давления химикам Марсианин paleomagnetists квантовой материаловедов».

Исследователи из лаборатории Беркли, Калифорнийского университета в Беркли; Людвиг-Максимилиан-университет, Германия; Университет штата Айова; вашингтонского Института Карнеги, Вашингтон, округ Колумбия; и лаборатории Эймса участие в работе.

сделать разницу: спонсорские возможности