EO

Kleine kwantumsensoren zien materialen transformeren onder druk

27 januari 2020 om 07:39 uur

Links gloeien natuurlijke diamanten onder ultraviolet licht vanwege hun verschillende stikstof-vacature (NV) centers. Rechts een schematische voorstelling van de diamanten aambeelden in actie, met NV-centers in het onderste aambeeld. De NV-sensoren gloeien een briljante rode tint wanneer ze worden aangeraakt met laserlicht. Door de helderheid van deze fluorescentie te onderzoeken, konden de onderzoekers zien hoe de sensoren reageerden op kleine veranderingen in hun omgeving. Beeld: Norman Yao / Berkeley Lab; Ella Marushchenko

Sinds hun uitvinding meer dan 60 jaar geleden, hebben diamanten aambeeldcellen het voor wetenschappers mogelijk gemaakt om extreme fenomenen na te bootsen - zoals de verpletterende druk diep in de aardmantel - of om chemische reacties mogelijk te maken die alleen door intense druk kunnen worden veroorzaakt. Allemaal binnenin de grenzen van een laboratoriumapparaat dat ze veilig in de palm van hun hand kunt houden.


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.

 

Gerelateerd nieuws

TU Delft heeft werkend prototype beademingsapparaat

TU Delft heeft werkend prototype beademingsapparaat

De Delftse studenten van het initiatief OperationAir hebben in drie weken tijd een werkend prototype van een noodbeademingsapparaat voor coronapatiënten ontwikkeld, de AIRone. De eerste testen met een mechanische long…

Hackers kunnen door beveiligingszwakte mogelijk miljoenen autosleutels kopiëren

Hackers kunnen door beveiligingszwakte mogelijk miljoenen autosleutels kopiëren

Wetenschappers uit Leuven en Birmingham hebben ontdekt dat heel wat automodellen van Toyota, Kia en Hyundai gebruikmaken van zwakke cryptografische codes. Daardoor is de contactloze autosleutel gemakkelijk te klonen.…

Vermoeiing composieten  sneller detecteren

Vermoeiing composieten sneller detecteren

Een team van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft een methode ontwikkeld om in composieten schade door veroudering te meten. "Dit geeft ons de mogelijkheid om betere…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Product van de maand

RSS
PITmode fusion - toegangsbewaking

De PITmode fusion is een onderdeel van de Safety- en Securityfuncties voor gegarandeerde veiligheid in een systeem

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

B&R Industriële Automatisering BV *
B&R Industriële Automatisering BV *

Perfection in Automation

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Ringspann Benelux BV
Ringspann Benelux BV

Partner in aandrijf- en opspantechniek

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

9 april 2020, Vianen

Machineveiligheid in een dag

9 en 16 april 2020 (avond) 1 dag of 2 avonden 09.00-16.00 uur incl. lunch of 17.00-21.30 uur incl....

16 april 2020, Online

The Things Conference

Online conferentie over het netwerk der dingen, LoRaWAN .

16 juni 2020, Veldhoven

Business Software Event 2020

‘Boost your business with connected software & smart data’. Dat is het thema van het Business...

Meer agendapunten »