Quantensensoren enthüllen Materialveränderungen unter extremem Druck

Diamantstempelzellen haben es Wissenschaftlern ermöglicht, extreme Phänomene nachzubilden, wie die zerdrückenden Drücke tief im Erdmantel, oder chemische Reaktionen zu ermöglichen, die nur durch intensiven Druck ausgelöst werden können, alles innerhalb eines Laborapparats. Um neue Hochleistungsmaterialien zu entwickeln, müssen Wissenschaftler verstehen, wie nützliche Eigenschaften wie Magnetismus und Festigkeit unter solchen harten Bedingungen verändern. Aber oft erfordert die Messung dieser Eigenschaften mit ausreichender Empfindlichkeit einen Sensor, der den zerdrückenden Kräften in einer Diamantstempelzelle standhalten kann. Indem sie natürliche atomare Fehlstellen in den Diamantstempeln in winzige Quantensensoren verwandelten, haben Wissenschaftler ein Werkzeug entwickelt, das die Tür zu einer Vielzahl von Experimenten öffnet, die für konventionelle Sensoren unzugänglich sind.

Auf atomarer Ebene verdanken Diamanten ihre Festigkeit Kohlenstoffatomen, die in einer tetraedrischen Kristallstruktur miteinander verbunden sind. Aber wenn Diamanten entstehen, können einige Kohlenstoffatome aus ihrem „Gitterplatz“, einem Raum in der Kristallstruktur, der wie ihr zugewiesener Parkplatz ist, herausgestoßen werden. Wenn ein Stickstoffatom als Verunreinigung im Kristall neben einer leeren Stelle sitzt, bildet sich ein spezieller atomarer Defekt: ein Stickstoff-Vakanz-(NV)-Zentrum. Wissenschaftler haben NV-Zentren als winzige Sensoren genutzt, um den Magnetismus eines einzelnen Proteins, das elektrische Feld eines einzelnen Elektrons und die Temperatur in einer lebenden Zelle zu messen.

Um die intrinsischen Sensoreigenschaften der NV-Zentren zu nutzen, entwarfen Forscher eine dünne Schicht von ihnen direkt im Diamantstempel, um einen Schnappschuss der Physik innerhalb der Hochdruckkammer zu machen. Nach der Erzeugung einer Schicht aus NV-Zentrum-Sensoren von einigen hundert Atomen Dicke in einzehntel-Karat-Diamanten testeten die Forscher die Fähigkeit der NV-Sensoren, die Hochdruckkammer der Diamantstempelzelle zu messen.

Die Sensoren leuchten in einem brillanten Rotton, wenn sie mit Laserlicht angeregt werden. Durch Untersuchung der Helligkeit dieser Fluoreszenz konnten die Forscher sehen, wie die Sensoren auf kleine Veränderungen in ihrer Umgebung reagierten. Die NV-Sensoren deuteten darauf hin, dass die einst flache Oberfläche des Diamantstempels unter Druck in der Mitte zu krümmen begann – ein Phänomen, das „Cupping“ genannt wird, eine Konzentration des Drucks zur Mitte der Stempelspitzen.

Nun, da sie demonstriert haben, wie man NV-Zentren in Diamantstempelzellen einbaut, planen die Forscher, das Gerät zu nutzen, um das magnetische Verhalten von supraleitenden Hydriden zu erforschen – Materialien, die bei hohem Druck nahe Raumtemperatur verlustfrei Strom leiten, was die Art und Weise revolutionieren könnte, wie Energie gespeichert und übertragen wird.