自60年前發(fā)明以來，金剛石砧座細(xì)胞使科學(xué)家有可能重現(xiàn)極端現(xiàn)象，例如地球地幔深處的壓碎，或使僅在強烈壓力下觸發(fā)的化學(xué)反應(yīng)全部發(fā)生在內(nèi)部。您可以安全地握在手中的實驗室儀器的范圍內(nèi)。

為了開發(fā)新型的高性能材料，科學(xué)家需要了解有用的特性(例如磁性和強度)在如此惡劣的條件下如何變化。但是通常，要以足夠的靈敏度測量這些屬性，就需要一個能夠承受金剛石砧座內(nèi)部壓碎力的傳感器。

自2018年以來，由美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)牽頭的能源前沿研究中心-材料量子相干性新途徑中心(NPQC)的科學(xué)家一直在尋求了解電子和電子的特性可以利用光學(xué)材料來開發(fā)能夠測量電場和磁場的超靈敏傳感器。

現(xiàn)在，由伯克利實驗室和加州大學(xué)伯克利分校領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家在NPQC的支持下提出了一個聰明的解決方案：通過將鉆石砧內(nèi)的自然原子缺陷轉(zhuǎn)變成微小的量子傳感器，科學(xué)家們開發(fā)了一種可以打開傳統(tǒng)傳感器無法進(jìn)行的大量實驗之門。他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，對新一代智能設(shè)計材料以及通過壓力進(jìn)行原子微調(diào)的新化學(xué)化合物的合成具有影響。

將原子缺陷轉(zhuǎn)化為傳感器

在原子水平上，鉆石的堅固性歸因于四面體晶體結(jié)構(gòu)中結(jié)合在一起的碳原子。但是，當(dāng)鉆石形成時，一些碳原子可能會從其“晶格部位”被撞出，“晶格部位”是晶體結(jié)構(gòu)中的空間，就像它們分配的停車位一樣。當(dāng)捕獲在晶體中的氮原子雜質(zhì)靠近空位時，會形成特殊的原子缺陷：氮空位(NV)中心。

伯克利實驗室材料科學(xué)系的科學(xué)家Norman Yao解釋說，在過去十年中，科學(xué)家將NV中心用作微型傳感器來測量單個蛋白質(zhì)的磁性，單個電子的電場以及活細(xì)胞內(nèi)部的溫度。加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)助理教授。

為了利用NV中心的固有傳感特性，Yao及其同事在金剛石砧座內(nèi)直接設(shè)計了一層薄薄的層，以便對高壓室內(nèi)的物理情況進(jìn)行快照。

成像金剛石砧座內(nèi)部的應(yīng)力

研究人員在十分之一克拉的鉆石中生成了一層厚度為數(shù)百個原子的NV中心傳感器之后，研究人員測試了NV傳感器測量金剛石砧室高壓腔的能力。

共同主要作者Satcher Hsieh(左)和Chong Zu調(diào)整其成像系統(tǒng)的激光。當(dāng)被激光激發(fā)時，NV中心會發(fā)出光子，其光度會通知研究人員他們所感測的局部環(huán)境。圖片來源：Marilyn Sargent /伯克利實驗室

當(dāng)被激光激發(fā)時，傳感器發(fā)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(yīng)環(huán)境中的細(xì)微變化。

他們的發(fā)現(xiàn)使他們感到驚訝：NV傳感器表明，曾經(jīng)是平坦的鉆石砧表面在壓力作用下開始在中心彎曲。

加州大學(xué)伯克利分校地球和行星科學(xué)教授雷蒙德·讓洛茲(Raymond Jeanloz)的合著者，他的團隊將這種現(xiàn)象識別為“凹陷”，即朝向砧尖中心的壓力集中。

姚說：“他們已經(jīng)知道這種影響數(shù)十年了，但習(xí)慣于在20倍的壓力下看到它，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。”

還有其他驚喜。當(dāng)他們擠壓的甲醇/乙醇混合物經(jīng)歷從液體到固體的玻璃化轉(zhuǎn)變時，鉆石表面從光滑的碗變成鋸齒狀，有紋理的表面。愛荷華州立大學(xué)的Valery Levitas和Ames實驗室的合著者進(jìn)行的機械模擬證實了這一結(jié)果。

“這是從根本上測量高壓材料中相變的一種新方法，我們希望這可以補充利用同步輻射源產(chǎn)生的強大X射線輻射的常規(guī)方法，”伯克利實驗室(Berkeley Lab)博士研究人員Satcher Hsieh說。加州大學(xué)伯克利分校的材料科學(xué)部和Yao組的成員。

Hsieh的共同主要作者是加州大學(xué)伯克利分校的研究生研究員Prabudhya Bhattacharyya和Yao Group的博士后研究員Chong Zu。

壓力下的磁性

在另一個實驗中，研究人員使用他們的NV傳感器陣列來捕獲鐵和g的磁性“快照”。

鐵和g是磁性金屬。長期以來，科學(xué)家一直知道壓縮鐵和and可以將它們從磁性相轉(zhuǎn)變?yōu)榉谴判韵?，這就是科學(xué)家所說的“壓力引起的相變”的結(jié)果。在鐵的情況下，研究人員通過測量高壓室內(nèi)的微米大小(或百萬分之一米)的鐵珠產(chǎn)生的磁場的損耗，直接對這種轉(zhuǎn)變進(jìn)行了成像。

鉆石砧室。通過在這兩個相對的砧座之間壓縮樣品，可以獲得大于地球中心的壓力。圖片來源：Marilyn Sargent /伯克利實驗室

對于of，研究人員采用了另一種方法。尤其是，inside內(nèi)部的電子“愉快地朝著隨機方向旋轉(zhuǎn)”，而這種混亂的電子“霧坑”產(chǎn)生了一個波動的磁場，NV傳感器可以測量該磁場。

研究人員指出，NV中心傳感器在存在磁波動的情況下可以翻轉(zhuǎn)為不同的磁量子狀態(tài)，就像在附近揮動條形磁鐵時指南針朝不同方向旋轉(zhuǎn)一樣。

因此他們推測，通過計時NV中心從一種磁性狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種磁性狀態(tài)所花費的時間，可以通過測量measuring電子運動產(chǎn)生的磁性“噪聲”來表征g的磁性相。

他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)in處于非磁性相時，its的電子會被制服，因此其磁場波動很小。隨后，NV 傳感器在單個磁量子狀態(tài)中停留了很長一段時間-近一百微秒。

相反，當(dāng)sample樣品變成磁性相時，電子迅速移動，從而使附近的NV傳感器迅速翻轉(zhuǎn)到另一個磁性量子態(tài)。

Hsieh說，這種突然的變化提供了清楚的證據(jù)，證明g已經(jīng)進(jìn)入了不同的磁相，并補充說，他們的技術(shù)使他們能夠以亞微米的精度來確定整個樣品的磁性能，而不是像以前的研究那樣對整個高壓腔進(jìn)行平均。

研究人員希望，這種“噪聲光譜”技術(shù)將為科學(xué)家提供一種探索磁性物質(zhì)階段的新工具，該工具可以用作通過下一代超快速自旋電子器件以更小，更快，更便宜的方式存儲和處理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。 。

下一步

現(xiàn)在，他們已經(jīng)展示了如何將NV中心設(shè)計到金剛石砧座中，研究人員計劃使用他們的設(shè)備來探索超導(dǎo)氫化物的磁性行為。超導(dǎo)氫化物是在高壓下在室溫附近不會損失電的導(dǎo)電材料，這可能會改變能量的使用方式。被存儲和傳輸。

他們還想探索物理學(xué)以外的科學(xué)。Hsieh說：“對我來說，最令人興奮的是，該工具可以幫助許多不同的科學(xué)界。” “它正在與從高壓化學(xué)家到火星古磁性論者再到量子材料科學(xué)家的小組加強合作。”

伯克利實驗室的研究人員;加州大學(xué)伯克利分校; 德國路德維希-馬克西米利安大學(xué);愛荷華州立大學(xué);華盛頓哥倫比亞特區(qū)卡內(nèi)基研究所;艾姆斯實驗室參加了這項工作。