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金刚石砧中的量子传感器可在极端条件下测量性能

发布:laserpulse    |    2020-01-08 14:43    阅读:3209
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为了开发新型的高性能光学和电子材料,科学家们需要测量极端条件下磁性和强度等材料性能如何变化。金刚石砧盒使科学家能够在实验室中安全地重新创建这些条件,但是大多数常规传感器无法用于测量实验结果,因为它们无法承受金刚石砧盒内部的压碎力。由美国能源部劳伦斯•伯克利国家实验室(Berkeley Lab)和加利福尼亚大学伯克利分校(UC Berkeley)领导的一组科学家利用了氮空位(NV)中心发现的内在传感特性—原子缺陷钻石的晶体结构-开发一种可用于执行常规传感器无法进行的实验工具。

研究人员将一层薄薄的NV中心直接设计在钻石砧室中,以对在该室的高压室内发生的现象进行成像。首先,他们在0.1克拉钻石内部产生了一层数百个原子厚的NV中心传感器。然后,他们测试了NV传感器测量金刚石砧盒高压腔的能力。激光激发时,传感器发出红色光。通过探测这种荧光的亮度,研究人员可以确定传感器如何响应其环境的细微变化。他们发现的结果令他们感到惊讶:NV传感器表明,曾经处于平坦状态的金刚石砧在压力作用下开始在中心弯曲。雷蒙德•让洛兹教授(Raymond Jeanloz)和他的团队将这种现象称之为“凹陷”,即朝向砧尖中心的压力集中。

左侧的天然钻石由于其各个NV中心而在紫外线下发光。右侧是示意图,显示了正在运行的金刚石砧,NV中心位于底部砧。 NV传感器在被激光激发时会发出明亮的红色阴影。通过探测这种荧光的亮度,研究人员能够看到传感器如何响应环境中的细微变化。 由Norman Yao / Berkeley Lab和Ella Marushchenko提供。

根据姚诺教授的说法,科学家“已经知道这种影响几十年了,但习惯于在20倍的压力下看到这种效果,在这里您可以通过眼睛看到弯曲。值得注意的是,我们的钻石砧传感器即使在最低压力下也能够检测到这种微小的弯曲。”在另一个实验中,当甲醇/乙醇混合物经历从液体到固体的转变时,钻石表面从光滑变成锯齿状、有纹理的表面。爱荷华州立大学的Valery Levitas教授和Ames实验室进行的机械仿真证实了这一结果。研究人员Satcher Hsieh说:“这是一种从根本上测量高压材料中相变的新方法,我们希望这可以补充利用同步加速器源产生的强大X射线辐射的常规方法。”研究人员还使用他们的NV传感器捕获铁和钆的磁性“快照”。在铁的情况下,研究人员通过测量高压室内的微米级铁珠产生的磁场损耗,直接对压力诱导的从磁相到非磁相的相变进行成像。对于钆,研究人员采用了另一种方法。研究人员指出,在存在磁波动的情况下,NV中心传感器可能会翻转为不同的磁量子状态。内部的电子沿随机方向移动,从而产生NV传感器可以测量的波动磁场。

研究人员推测,通过确定NV中心从一种磁性状态转变到另一种磁性状态所花费的时间,可以通过测量运动产生的磁噪声来表征ado的磁性相。他们发现,当处于非磁性相时,电子会被制服,磁场的波动会很弱。NV传感器在单个磁量子状态下停留了将近100微秒。相反,当样品变为磁相时,电子迅速移动,从而使附近的NV传感器迅速翻转到另一个磁量子状态,并表明这已进入不同的磁相。研究人员的技术使他们能够以亚微米精度查明整个样品的磁性能。该团队希望其“噪声光谱”技术将为科学家提供一种探索磁性物质阶段的新工具,该工具可作为更小、更快、更便宜的数据存储和处理方式的基础。现在,他们已经演示了如何将NV中心设计到金刚石砧座中,研究人员计划使用他们的设备来探索超导混合材料的磁行为,其使用可以改变能量的存储和传输方式。他们还希望在物理之外探索其设备的应用。“对我而言,最让我兴奋的是,该工具可以帮助许多不同的科学界,”谢说。“它与从高压化学家到火星古物论者再到量子材料科学家的小组加强了合作。”

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