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金剛石砧中的量子傳感器可在極端條件下測量性能

發布:laserpulse    |    2020-01-08 14:43    閱讀:2251
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為了開發新型的高性能光學和電子材料,科學家們需要測量極端條件下磁性和強度等材料性能如何變化。金剛石砧盒使科學家能夠在實驗室中安全地重新創建這些條件,但是大多數常規傳感器無法用于測量實驗結果,因為它們無法承受金剛石砧盒內部的壓碎力。由美國能源部勞倫斯•伯克利國家實驗室(Berkeley Lab)和加利福尼亞大學伯克利分校(UC Berkeley)領導的一組科學家利用了氮空位(NV)中心發現的內在傳感特性—原子缺陷鉆石的晶體結構-開發一種可用于執行常規傳感器無法進行的實驗工具。

研究人員將一層薄薄的NV中心直接設計在鉆石砧室中,以對在該室的高壓室內發生的現象進行成像。首先,他們在0.1克拉鉆石內部產生了一層數百個原子厚的NV中心傳感器。然后,他們測試了NV傳感器測量金剛石砧盒高壓腔的能力。激光激發時,傳感器發出紅色光。通過探測這種熒光的亮度,研究人員可以確定傳感器如何響應其環境的細微變化。他們發現的結果令他們感到驚訝:NV傳感器表明,曾經處于平坦狀態的金剛石砧在壓力作用下開始在中心彎曲。雷蒙德•讓洛茲教授(Raymond Jeanloz)和他的團隊將這種現象稱之為“凹陷”,即朝向砧尖中心的壓力集中。

左側的天然鉆石由于其各個NV中心而在紫外線下發光。右側是示意圖,顯示了正在運行的金剛石砧,NV中心位于底部砧。 NV傳感器在被激光激發時會發出明亮的紅色陰影。通過探測這種熒光的亮度,研究人員能夠看到傳感器如何響應環境中的細微變化。 由Norman Yao / Berkeley Lab和Ella Marushchenko提供。

根據姚諾教授的說法,科學家“已經知道這種影響幾十年了,但習慣于在20倍的壓力下看到這種效果,在這里您可以通過眼睛看到彎曲。值得注意的是,我們的鉆石砧傳感器即使在最低壓力下也能夠檢測到這種微小的彎曲。”在另一個實驗中,當甲醇/乙醇混合物經歷從液體到固體的轉變時,鉆石表面從光滑變成鋸齒狀、有紋理的表面。愛荷華州立大學的Valery Levitas教授和Ames實驗室進行的機械仿真證實了這一結果。研究人員Satcher Hsieh說:“這是一種從根本上測量高壓材料中相變的新方法,我們希望這可以補充利用同步加速器源產生的強大X射線輻射的常規方法。”研究人員還使用他們的NV傳感器捕獲鐵和釓的磁性“快照”。在鐵的情況下,研究人員通過測量高壓室內的微米級鐵珠產生的磁場損耗,直接對壓力誘導的從磁相到非磁相的相變進行成像。對于釓,研究人員采用了另一種方法。研究人員指出,在存在磁波動的情況下,NV中心傳感器可能會翻轉為不同的磁量子狀態。內部的電子沿隨機方向移動,從而產生NV傳感器可以測量的波動磁場。

研究人員推測,通過確定NV中心從一種磁性狀態轉變到另一種磁性狀態所花費的時間,可以通過測量運動產生的磁噪聲來表征ado的磁性相。他們發現,當處于非磁性相時,電子會被制服,磁場的波動會很弱。NV傳感器在單個磁量子狀態下停留了將近100微秒。相反,當樣品變為磁相時,電子迅速移動,從而使附近的NV傳感器迅速翻轉到另一個磁量子狀態,并表明這已進入不同的磁相。研究人員的技術使他們能夠以亞微米精度查明整個樣品的磁性能。該團隊希望其“噪聲光譜”技術將為科學家提供一種探索磁性物質階段的新工具,該工具可作為更小、更快、更便宜的數據存儲和處理方式的基礎。現在,他們已經演示了如何將NV中心設計到金剛石砧座中,研究人員計劃使用他們的設備來探索超導混合材料的磁行為,其使用可以改變能量的存儲和傳輸方式。他們還希望在物理之外探索其設備的應用。“對我而言,最讓我興奮的是,該工具可以幫助許多不同的科學界,”謝說。“它與從高壓化學家到火星古物論者再到量子材料科學家的小組加強了合作。”

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