Sinds hun uitvinding meer dan 60 jaar geleden, diamanten aambeeldcellen hebben het voor wetenschappers mogelijk gemaakt om extreme verschijnselen na te bootsen - zoals de verpletterende druk diep in de aardmantel - of om chemische reacties mogelijk te maken die alleen kunnen worden veroorzaakt door intense druk, allemaal binnen de grenzen van een laboratoriumapparaat dat u veilig in de palm van uw hand kunt houden.

Het ontwikkelen van nieuwe, hoogwaardige materialen, wetenschappers moeten begrijpen hoe nuttige eigenschappen, zoals magnetisme en kracht, veranderen onder zulke barre omstandigheden. Maar vaak, het meten van deze eigenschappen met voldoende gevoeligheid vereist een sensor die bestand is tegen de verpletterende krachten in een diamanten aambeeldcel.

Sinds 2018, wetenschappers van het Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC), een Energy Frontier Research Center onder leiding van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (Berkeley Lab), hebben geprobeerd te begrijpen hoe de eigenschappen van elektronische en optische materialen kunnen worden benut om ultragevoelige sensoren te ontwikkelen die elektrische en magnetische velden kunnen meten.

Nutsvoorzieningen, een team van wetenschappers onder leiding van Berkeley Lab en UC Berkeley, met steun van de NPQC, hebben een slimme oplossing bedacht:door natuurlijke atomaire gebreken in de diamanten aambeelden om te zetten in kleine kwantumsensoren, de wetenschappers hebben een tool ontwikkeld die de deur opent naar een breed scala aan experimenten die niet toegankelijk zijn voor conventionele sensoren. Hun bevindingen, die werden gerapporteerd in het tijdschrift Wetenschap , gevolgen hebben voor een nieuwe generatie slimme, ontwerper materialen, evenals de synthese van nieuwe chemische verbindingen, atomair verfijnd door druk.

Atomaire fouten omzetten in sensoren

Op atomair niveau is diamanten danken hun stevigheid aan koolstofatomen die samengebonden zijn in een tetraëdrische kristalstructuur. Maar wanneer diamanten worden gevormd, sommige koolstofatomen kunnen uit hun "roosterplaats" worden gestoten, " een ruimte in de kristalstructuur die lijkt op hun toegewezen parkeerplaats. Wanneer een stikstofatoom onzuiverheid gevangen in het kristal naast een lege plek zit, een bijzonder atoomdefect vormt:een stikstof-leegstand (NV) centrum.

Over de afgelopen tien jaar, wetenschappers hebben NV-centra gebruikt als kleine sensoren om het magnetisme van een enkel eiwit te meten, het elektrische veld van een enkel elektron, en de temperatuur in een levende cel, legde Norman Yao uit, faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en assistent-professor natuurkunde aan UC Berkeley.

Om te profiteren van de intrinsieke detectie-eigenschappen van de NV-centra, Yao en collega's hebben een dunne laag ervan direct in het diamanten aambeeld ontworpen om een ​​momentopname te maken van de fysica in de hogedrukkamer.

Beeldvorming van stress in de diamanten aambeeldcel

Na het genereren van een laag NV-centrumsensoren met een dikte van een paar honderd atomen in diamanten van een tiende karaat, de onderzoekers testten het vermogen van de NV-sensoren om de hogedrukkamer van de diamantaambeeldcel te meten.

De sensoren gloeien een schitterende rode tint wanneer ze worden bekrachtigd met laserlicht; door de helderheid van deze fluorescentie te onderzoeken, de onderzoekers konden zien hoe de sensoren reageerden op kleine veranderingen in hun omgeving.

Wat ze vonden verraste hen:de NV-sensoren suggereerden dat het eens zo platte oppervlak van het diamanten aambeeld onder druk in het midden begon te krommen.

Co-auteur Raymond Jeanloz, hoogleraar aard- en planetaire wetenschappen aan UC Berkeley, en zijn team identificeerden het fenomeen als "cupping" - een concentratie van de druk naar het midden van de aambeeldpunten.

"Ze wisten al tientallen jaren van dit effect, maar waren gewend om het te zien bij 20 keer de druk, waar je de kromming met het oog kunt zien, " zei Yao. "Opmerkelijk, onze diamanten aambeeldsensor kon deze kleine kromming zelfs bij de laagste druk detecteren."

Er waren andere verrassingen, te. Wanneer een mengsel van methanol en ethanol werd geperst, onderging het een glasovergang van een vloeistof naar een vaste stof, het diamantoppervlak veranderde van een gladde kom in een gekartelde, gestructureerd oppervlak. Mechanische simulaties uitgevoerd door co-auteur Valery Levitas van Iowa State University en Ames Laboratory bevestigden het resultaat.

"Dit is een fundamenteel nieuwe manier om faseovergangen in materialen onder hoge druk te meten, en we hopen dat dit een aanvulling kan zijn op conventionele methoden die gebruikmaken van krachtige röntgenstraling van een synchrotronbron, " zei hoofdauteur Satcher Hsieh, een doctoraal onderzoeker in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en in de Yao Group van UC Berkeley.

Co-hoofdauteurs met Hsieh zijn afgestudeerde student-onderzoeker Prabudhya Bhattacharyya en postdoctoraal onderzoeker Chong Zu van de Yao Group aan UC Berkeley.

Magnetisme onder druk

In een ander experiment, de onderzoekers gebruikten hun reeks NV-sensoren om een ​​magnetische "snapshot" van ijzer en gadolinium vast te leggen.

IJzer en gadolinium zijn magnetische metalen. Wetenschappers weten al lang dat het comprimeren van ijzer en gadolinium ze van een magnetische fase in een niet-magnetische fase kan veranderen. een resultaat van wat wetenschappers een "drukgeïnduceerde faseovergang" noemen. In het geval van ijzer, de onderzoekers hebben deze overgang direct in beeld gebracht door de uitputting van het magnetische veld te meten dat wordt gegenereerd door een ijzeren kraal ter grootte van een micron (of een miljoenste van een meter) in de hogedrukkamer.

In het geval van gadolinium, de onderzoekers pakten het anders aan. Vooral, de elektronen in gadolinium "suizen gelukkig in willekeurige richtingen, " en deze chaotische "mosh pit" van elektronen genereert een fluctuerend magnetisch veld dat de NV-sensor kan meten, zei Hsieh.

De onderzoekers merkten op dat de NV-centrumsensoren in verschillende magnetische kwantumtoestanden kunnen omslaan in aanwezigheid van magnetische fluctuaties, net zoals een kompasnaald in verschillende richtingen draait wanneer je er met een staafmagneet in de buurt zwaait.

Dus stelden ze dat door te timen hoe lang het duurde voordat de NV-centra van de ene magnetische toestand naar de andere gingen, ze konden de magnetische fase van het gadolinium karakteriseren door de magnetische "ruis" te meten die voortkomt uit de beweging van de gadolinium-elektronen.

Ze ontdekten dat wanneer gadolinium zich in een niet-magnetische fase bevindt, zijn elektronen zijn ingetogen, en zijn magnetische veldfluctuaties zijn daarom zwak. Vervolgens, de NV-sensoren blijven lange tijd in een enkele magnetische kwantumtoestand - bijna honderd microseconden.

Omgekeerd, toen het gadoliniummonster veranderde in een magnetische fase, de elektronen bewogen snel rond, waardoor de nabije NV-sensor snel omslaat naar een andere magnetische kwantumtoestand.

Deze plotselinge verandering leverde duidelijk bewijs dat gadolinium een ​​andere magnetische fase was ingegaan, Hsieh zei, eraan toevoegend dat hun techniek hen in staat stelde om magnetische eigenschappen over het monster te lokaliseren met submicron-precisie in tegenstelling tot het gemiddelde over de hele hogedrukkamer zoals in eerdere studies.

De onderzoekers hopen dat deze "ruisspectroscopie" -techniek wetenschappers een nieuw hulpmiddel zal bieden voor het verkennen van fasen van magnetische materie dat kan worden gebruikt als de basis voor kleinere, sneller, en goedkopere manieren om gegevens op te slaan en te verwerken via ultrasnelle spintronische apparaten van de volgende generatie.

Volgende stappen

Nu ze hebben gedemonstreerd hoe NV-centra in diamanten aambeeldcellen kunnen worden omgezet, de onderzoekers zijn van plan hun apparaat te gebruiken om het magnetische gedrag van supergeleidende hydriden te onderzoeken - materialen die elektriciteit geleiden zonder verlies bij kamertemperatuur onder hoge druk, die een revolutie teweeg kunnen brengen in de manier waarop energie wordt opgeslagen en overgedragen.

En ze willen ook wetenschap buiten de natuurkunde verkennen. "Wat ik het meest opwindend vind, is dat deze tool zoveel verschillende wetenschappelijke gemeenschappen kan helpen, ", zegt Hsieh. "Het heeft geleid tot samenwerkingen met groepen variërend van hogedrukchemici tot Martiaanse paleomagnetiseurs tot wetenschappers van kwantummaterialen."

Onderzoekers van Berkeley Lab; UC Berkeley; Ludwig-Maximilian-Universität, Duitsland; Iowa Staatsuniversiteit; Carnegie-instituut van Washington, Washington, gelijkstroom; en Ames Laboratory namen deel aan het werk.