Winzige Quantensensoren sehen, wie sich Materialien unter Druck verändern

Diamantambosszellen haben es Wissenschaftlern ermöglicht, extreme Phänomene wie den erdrückenden Druck tief im Inneren des Erdmantels nachzubilden oder chemische Reaktionen zu ermöglichen, die nur durch starken Druck ausgelöst werden können, und das alles innerhalb der Grenzen eines Laborgeräts. Um neue Hochleistungsmaterialien zu entwickeln, müssen Wissenschaftler verstehen, wie sich nützliche Eigenschaften wie Magnetismus und Festigkeit unter solch rauen Bedingungen ändern. Um diese Eigenschaften mit ausreichender Empfindlichkeit zu messen, ist jedoch häufig ein Sensor erforderlich, der den Druckkräften in einer Diamantambosszelle standhält. Durch die Umwandlung natürlicher atomarer Fehler in den Diamantambossen in winzige Quantensensoren haben Wissenschaftler ein Werkzeug entwickelt, das die Tür zu einer breiten Palette von Experimenten öffnet, die für herkömmliche Sensoren unzugänglich sind.

Auf atomarer Ebene verdanken Diamanten ihre Robustheit den in einer tetraedrischen Kristallstruktur aneinander gebundenen Kohlenstoffatomen. Aber wenn sich Diamanten bilden, können einige Kohlenstoffatome aus ihrem „Gitterplatz“ gestoßen werden, einem Platz in der Kristallstruktur, der wie ihr zugewiesener Parkplatz ist. Wenn eine im Kristall eingeschlossene Stickstoffatomverunreinigung neben einer leeren Stelle sitzt, bildet sich ein spezieller atomarer Defekt:ein Stickstoffleerstellenzentrum (NV). Wissenschaftler haben NV-Zentren als winzige Sensoren verwendet, um den Magnetismus eines einzelnen Proteins, das elektrische Feld eines einzelnen Elektrons und die Temperatur im Inneren einer lebenden Zelle zu messen.

Um die intrinsischen Sensoreigenschaften der NV-Zentren zu nutzen, konstruierten die Forscher eine dünne Schicht davon direkt im Diamantamboss, um eine Momentaufnahme der Physik in der Hochdruckkammer zu machen. Nach der Erzeugung einer Schicht aus NV-Zentrumssensoren mit einer Dicke von einigen hundert Atomen in Diamanten von einem Zehntel Karat testeten die Forscher die Fähigkeit der NV-Sensoren, die Hochdruckkammer der Diamantambosszelle zu messen.

Die Sensoren leuchten bei Anregung mit Laserlicht in einem brillanten Rotton. Indem sie die Helligkeit dieser Fluoreszenz untersuchten, konnten die Forscher sehen, wie die Sensoren auf kleine Veränderungen in ihrer Umgebung reagierten. Die NV-Sensoren deuteten darauf hin, dass sich die einst flache Oberfläche des Diamantambosses unter Druck in der Mitte zu krümmen begann – ein Phänomen, das als „Schröpfen“ bezeichnet wird, eine Konzentration des Drucks in Richtung der Mitte der Ambossspitzen.

Nachdem sie nun gezeigt haben, wie NV-Zentren in Diamantambosszellen eingebaut werden können, planen die Forscher, das Gerät zu verwenden, um das magnetische Verhalten von supraleitenden Hydriden zu untersuchen – Materialien, die Elektrizität ohne Verluste nahe Raumtemperatur bei hohem Druck leiten, was die Energiewende revolutionieren könnte gespeichert und übertragen.