Kleine kwantumsensoren zien materialen transformeren onder druk

Om nieuwe, hoogwaardige materialen te ontwikkelen, moeten wetenschappers begrijpen hoe nuttige eigenschappen, zoals magnetisme en sterkte, veranderen onder dergelijke zware omstandigheden. Maar vaak vereist het meten van deze eigenschappen met voldoende gevoeligheid een sensor die de verpletterende krachten in een diamanten aambeeldcel kan weerstaan.

Nu heeft een team van wetenschappers onder leiding van Berkeley Lab en UC Berkeley, met steun van de NPQC, een oplossing bedacht: door natuurlijke atoomfouten in de diamanten aambeelden in kleine kwantumsensoren te veranderen, hebben de wetenschappers een hulpmiddel ontwikkeld dat opent de deur naar een breed scala aan experimenten die niet toegankelijk zijn voor conventionele sensoren. Hun bevindingen, die werden gerapporteerd in het tijdschrift Science, hebben implicaties voor een nieuwe generatie slimme designermaterialen, evenals de synthese van nieuwe chemische verbindingen, met atomaire nauwkeurigheid afgestemd door druk.

Op atomair niveau hebben diamanten hun stevigheid te danken aan koolstofatomen die verbonden zijn in een tetraëdrische kristalstructuur. Maar wanneer diamanten worden gevormd, kunnen sommige koolstofatomen van hun ‘roosterplaats’ worden gestoten. Wanneer een stikstofatoom in het kristal gevangen zit naast een lege plaats, vormt zich een speciaal atoomdefect: een stikstof-vacature (NV) center.

In het afgelopen decennium hebben wetenschappers NV-centers volgens natuurkundige Norman Yao al gebruikt als kleine sensoren om het magnetisme van een enkel eiwit, het elektrische veld van een enkel elektron en de temperatuur in een levende cel te meten. Om te profiteren van de intrinsieke detectie-eigenschappen van de NV-centra, hebben Yao en zijn collega’s nu een dunne laag ervan direct in het diamanten aambeeld gemaakt om een momentopname te maken van de fysica in de hogedrukkamer.

Eerste tests

Na het genereren van een laag NV-centrumsensoren van enkele honderden atomen dik in tien-karaats diamanten testten de onderzoekers het vermogen van de NV-sensoren om de hogedrukkamer van de diamanten aambeeldcel te meten. De sensoren gloeien rood op wanneer ze aangeraakt worden met laserlicht; door de helderheid van deze fluorescentie te onderzoeken, konden de onderzoekers zien hoe de sensoren reageerden op kleine veranderingen in hun omgeving.

De NV-sensoren suggereerden dat het ooit platte oppervlak van het diamantaambeeld onder druk in het midden begon te krommen. Co-auteur Raymond Jeanloz en zijn team identificeerden het fenomeen als ‘cupping’ – een concentratie van de druk in de richting van het midden van de aambeeldpunten.
"Ze wisten al tientallen jaren van dit effect, maar waren eraan gewend het bij 20 keer de druk te zien, waarbij je de kromming met het oog kunt zien," zei Yao. "Opmerkelijk is dat onze diamanten aambeeldsensor deze kleine kromming zelfs bij de laagste drukken kon detecteren."

Er waren ook andere verrassingen. Toen een methanol / ethanolmengsel dat ze samendrukten onderging een glasovergang van een vloeistof naar een vaste stof, veranderde het diamantoppervlak van een gladde kom in een gekarteld, getextureerd oppervlak.

"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 krachtige röntgenstraling van een synchrotronbron gebruiken," zei hoofdauteur Satcher Hsieh, een promotieonderzoeker in Berkeley Lab’s Divisie Materiaalwetenschappen en in de Yao Group bij UC Berkeley.

Vervolgonderzoek: supergeleidende hybriden

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