纳米级量子传感器在高压下的图像应力和磁性

在左侧，由于各种氮气空位（NV）中心，自然钻石在紫外线下发光。在右侧，将底部砧座中的NV中心描绘了作用的金刚石砧座的示意图。当激光激发时，NV传感器在激发时发出亮的红色阴影。通过探测这种荧光的亮度，研究人员能够了解传感器如何应对其环境的小变化。

伯克利实验室的科学家，UC Berkeley将钻石的原子缺陷转换成具有前排座椅的原子传感器，以在极限压力下的量子座位。

自从他们的发明超过60年前，钻石砧座细胞已经使科学家能够重新创建极端现象 - 例如地球的地幔内部的破碎压力 - 或者能够实现只能被强烈的压力引发的化学反应您可以安全地握住手掌的实验室设备的范围。

为了开发新的，高性能的材料，科学家需要了解有用的特性，例如磁性和力量，在这种恶劣条件下变化。但是，通常用足够的灵敏度测量这些性能需要传感器，该传感器可以承受金刚石砧座内部的破碎力。

自2018年以来，科学家们对材料（NPQC）的大规模连贯性的途径中心（NPQC），由美国能源部·伯克利国家实验室（伯克利实验室）领导的能源前沿研究中心，并试图了解电子和电子的性质可以利用光学材料来开发能够测量电场的超敏传感器。

现在，由伯克利实验室和UC Berkeley领导的科学家团队，支持NPQC的支持，提出了一个聪明的解决方案：通过将金刚石砧座内的自然原子缺陷转变为微小的量子传感器，科学家们开发了一种工具，将门打开到传统传感器的广泛实验。他们今天（2019年12月13日）在COSTORCH中报告的调查结果对新一代智能，设计师材料以及新的化学化合物的合成，由压力进行原子微调的影响。

共同领导作者主人Hsieh（左）和冲祖调谐其成像系统的激光。当通过激光激发时，NV中心发出光子，其亮度向研究人员通知研究人员是他们正在感知的本地环境。

在原子水平上，钻石欠它们在四面体晶体结构中结合在一起的碳原子的稳定性。但是，当钻石形式时，一些碳原子可以从其“格子部位”中的晶体结构中的空间撞出，就像其分配的停车位。当捕获在晶体中捕获的氮原子杂质在空地附近时，特殊原子缺陷形式：氮空位（NV）中心。

在过去十年中，科学家们使用了NV中心作为微小传感器来测量单一蛋白质，从单个电子的电场和活细胞内的温度，德尔克利·实验室材料科学家德诺·瑶族的温度和UC Berkeley的物理学助理教授。

为了利用NV中心的内在传感特性，姚明和同事直接在金刚石砧座内部设计了一层薄薄的层，以便在高压室内的物理的快照。

金刚石砧座内部的成像应力

在一层NV中心传感器中产生几百个原子的厚度内，研究人员测试了NV传感器测量金刚石砧座的高压室的能力。

当用激光激发时，传感器在激发时发出亮的红色阴影;通过探测这种荧光的亮度，研究人员能够了解传感器如何应对其环境的小变化。

他们发现的惊讶了：NV传感器表明，金刚石砧座的换平面开始在压力下弯曲。

联合作者Raymond Jeanloz，UC Berkeley地球教授和行星科学教授，他的团队将该现象确定为“拔罐” - 朝向砧座尖端中心的压力浓度。

金刚石砧座。通过压缩这两个相对的砧座之间的样品，可以实现大于地球中心的压力。

“他们已经知道了几十年的这种效果，但是习惯于在20倍的压力下看到它，你可以通过眼睛看到曲率，”姚明说。“显着，我们的钻石砧传感器能够在最低压力下检测这种微小曲率。”

还有其他惊喜。当它们挤压的甲醇/乙醇混合物挤压从液体到固体的玻璃化转变时，金刚石表面从光滑的碗转动到锯齿状的纹理表面。由爱荷华州立大学的联合作者Valery Levitas进行的机械模拟，Ames实验室确认了结果。

“这是一种从基本上进行高压测量材料中的阶段过渡的新方法，我们希望这可以补充利用Synchrotron来源的强大X射线辐射的传统方法，”伯克利实验室的博士研究员提供了博士学位材料科学司和姚党伯克利瑶族。

与HSIEH的联合主导作者是研究生研究员Prabudhya Bhattacharyya和博士后研究员在UC Berkeley的姚集团崇祖。

压力下的磁性

在另一个实验中，研究人员使用了它们的NV传感器阵列以捕获铁和钆的磁性“快照”。

铁和钆是磁性金属。科学家们长期以来已知压缩铁和钆可以将它们从磁阶段改变为非磁性阶段，这是科学家称之为“压力诱导的相转变”的结果。在铁的情况下，研究人员通过测量通过高压室内的铁的微米尺寸（或一百万米）珠子产生的磁场的耗尽来直接成像这种过渡。

共同领导作者麻场HSIEH准备样品在金刚石砧座中压缩。

在钆的情况下，研究人员采用了不同的方法。特别地，钆中的电子“愉快地在随机方向上迅速地喷射”，并且电子电子的混乱“MOSH坑”产生波动的磁场，即NV传感器可以测量，HSIEH说。

研究人员指出，NV中心传感器可以在存在磁性波动的情况下翻转到不同的磁量子状态，就像在靠近它的棒磁铁时，罗盘针刺罗绳子旋转。

因此，他们假设通过定时NV中心从一个磁力到另一个磁性达到另一个磁性，通过测量从钆电子的运动产生的磁性“噪声”来表征钆的磁相。

他们发现当钆处于非磁相时，其电子被施加，其磁场波动因此弱。随后，NV传感器长时间保持在单个磁量子状态 - 近百微秒。

相反，当钆样品改变为磁相时，电子快速移动，使附近的NV传感器迅速翻转到另一个磁量子状态。

这种突然变化提供了明确的证据表明，Hsieh表示，钆已经进入了不同的磁相的证据表明，它们的技术使其在以前研究中的整个高压室中的平均值以亚微米精度定位在样品上的磁性。

从左起：共同领导作者Prabudhya Bhattacharyya，Chong Zu和Satcher Hsieh。

研究人员希望这种“噪声光谱”技术将提供科学家，以探索磁性物质的阶段的新工具，可以通过下一代超快旋转型器件存储和处理数据的较小，更快，更便宜的方式。

下一步

现在他们证明了如何将NV中心设计成钻石砧座电池，研究人员计划使用它们的装置探讨超导氢化物 - 在高压室温度下没有损失的电力的磁力行为，这可以彻底改变能量存储并转移。

他们还想探索物理之外的科学。“对我来说最令人兴奋的是，这个工具可以帮助这么多不同的科学社区，”Hsieh说。“它与从高压化学家到火星古物币到量子材料科学家的群体增加了合作。”

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参考：“使用纳米级量子传感器的高压成像应力和磁性”，S.Hsieh，P.Bhattacharyya，C.Zu，T.Mittiga，TJ Smart，F. Machado，B. Kobrin，到Höhn，NZ Rui，M。 Kamrani，S. Chatterjee，S. Choi，M. Zaletel，Vv Struzhkin，Je M​​oore，Vi Levitas，R.Jeanloz和Ny Yao，2019年12月13日，Science.Doi：
10.1126 / science.aaw4352

伯克利实验室的研究人员; UC Berkeley;德国慕尼黑Ludwig-Maximilian大学;爱荷华州立大学; Carnegie华盛顿，华盛顿，D.C;和Ames实验室参加了这项工作。

这项工作得到了对材料中的Quantum Conherence的新途径中心，由美国能源部资助的能源前沿研究中心提供支持。陆军研究办公室和国家科学基金会提供了额外的资金。

附加信息：2019年12月13日，科学问题有两个关于高压的基于NV磁感的两个互补研究以及透视文章：