Onderzoekers hebben onlangs ontdekt dat de sterkte van het magnetische veld die nodig is om een ​​bepaald kwantummechanisch proces op te wekken, zoals fotoluminescentie en het vermogen om spintoestanden te regelen met elektromagnetische (EM) velden, komt overeen met de temperatuur van het materiaal. Op basis van deze bevinding, wetenschappers kunnen de temperatuur van een monster bepalen tot een resolutie van één kubieke micron door de veldsterkte te meten waarbij dit effect optreedt. Temperatuurmeting is een integraal onderdeel van de meeste industriële, elektronische en chemische processen, dus een grotere ruimtelijke resolutie zou commerciële en wetenschappelijke activiteiten ten goede kunnen komen. Het team rapporteert hun bevindingen in AIP-vooruitgang .

in diamanten, stikstofatomen kunnen koolstofatomen vervangen; wanneer dit gebeurt naast vacatures in het kristalrooster, het produceert bruikbare kwantumeigenschappen. Deze vacatures kunnen een negatieve of neutrale lading hebben. Negatief geladen leegstandscentra zijn ook fotoluminescerend en produceren een detecteerbare gloed wanneer ze worden blootgesteld aan bepaalde golflengten van licht. Onderzoekers kunnen een magnetisch veld gebruiken om de spins van de elektronen in de vacatures te manipuleren, die de intensiteit van de fotoluminescentie verandert.

Een team van Russische en Duitse onderzoekers creëerde een systeem dat temperaturen en magnetische velden met zeer kleine resoluties kan meten. De wetenschappers produceerden kristallen van siliciumcarbide met vacatures die vergelijkbaar waren met de stikstof-vacaturecentra in diamanten. Vervolgens, ze stelden het siliciumcarbide bloot aan infrarood laserlicht in aanwezigheid van een constant magnetisch veld en registreerden de resulterende fotoluminescentie.

Sterkere magnetische velden maken het gemakkelijker voor elektronen in deze vacatures om tussen energiespintoestanden over te dragen. Bij een bepaalde veldsterkte het aandeel elektronen met spin 3/2 verandert snel, in een proces dat anticrossing wordt genoemd. De helderheid van de fotoluminescentie hangt af van het aandeel elektronen in verschillende spintoestanden, zodat de onderzoekers de sterkte van het magnetische veld konden meten door de verandering in helderheid te volgen.

Aanvullend, de luminescentie verandert abrupt wanneer elektronen in deze vacatures kruisrelaxatie ondergaan, een proces waarbij een aangeslagen kwantumsysteem energie deelt met een ander systeem in zijn grondtoestand, beide naar een tussentoestand brengen. De sterkte van het veld die nodig is om kruisontspanning te induceren, is direct gekoppeld aan de temperatuur van het materiaal. Door de sterkte van het veld te variëren, en opnemen wanneer fotoluminescentie plotseling veranderde, de wetenschappers konden de temperatuur van het gebied van het onderzochte kristal berekenen. Het team was verrast om te ontdekken dat de kwantumeffecten zelfs bij kamertemperatuur bleven bestaan.

"Deze studie stelt ons in staat om temperatuur- en magnetische veldsensoren in één apparaat te maken, " zei Andrey Anisimov, van het Ioffe Physical-Technical Institute van de Russische Academie van Wetenschappen en een van de auteurs van het artikel. Bovendien, sensoren kunnen worden geminiaturiseerd tot 100 nanometer, die hun gebruik in de ruimtevaartindustrie mogelijk zouden maken, geofysische waarnemingen en zelfs biologische systemen. "In tegenstelling tot diamant, siliciumcarbide is al een beschikbaar halfgeleidermateriaal, en er zijn al diodes en transistors van gemaakt, ' zei Anisimov.