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Nov 06, 2023

Quantensensor überlebt rekordverdächtig

Quantensensoren basieren auf mikroskopischen Fehlern in der Kristallstruktur von

Quantensensoren, die auf mikroskopischen Fehlern in der Kristallstruktur von Diamant basieren, können laut Untersuchungen von Physikern der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking bei Drücken von bis zu 140 Gigapascal arbeiten. Der Befund stellt einen Rekord für den Betriebsdruck von Quantensensoren auf, die auf sogenannten Stickstoff-Leerstellenzentren (NV) basieren, und ihre neu entdeckte Haltbarkeit könnte Studien in der Physik der kondensierten Materie und der Geophysik zugute kommen.

NV-Zentren entstehen, wenn zwei benachbarte Kohlenstoffatome im Diamant durch ein Stickstoffatom und einen leeren Gitterplatz ersetzt werden. Sie wirken wie winzige Quantenmagnete mit unterschiedlichen Spins, und wenn sie mit Laserpulsen angeregt werden, kann das von ihnen emittierte Fluoreszenzsignal verwendet werden, um leichte Änderungen der magnetischen Eigenschaften einer nahegelegenen Materialprobe zu überwachen. Dies liegt daran, dass sich die Intensität des ausgesendeten NV-Zentrumssignals mit dem lokalen Magnetfeld ändert.

Das Problem besteht darin, dass solche Sensoren fragil sind und unter rauen Bedingungen meist nicht funktionieren. Dies macht es schwierig, sie für die Untersuchung des Erdinneren zu verwenden, wo Gigapascal-Drücke (GPa) herrschen, oder für die Untersuchung von Materialien wie Hydrid-Supraleitern, die bei sehr hohen Drücken hergestellt werden.

In der neuen Arbeit begann ein Team unter der Leitung von Gang-Qin Liu vom Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics und dem Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften mit der Schaffung einer mikroskopisch kleinen Hochdruckkammer, die als Diamantambosszelle bekannt ist Platzieren Sie ihre Sensoren, die aus Mikrodiamanten bestehen, die ein Ensemble von NV-Zentren enthalten. Sensoren dieser Art funktionieren dank einer Technik namens optisch detektierte Magnetresonanz (ODMR), bei der die Probe zunächst mit einem Laser (in diesem Fall mit einer Wellenlänge von 532 nm) angeregt und dann über Mikrowellenpulse manipuliert wird. Die Forscher applizierten die Mikrowellenimpulse mit einem dünnen Platindraht, der hohen Drücken standhält. Der letzte Schritt besteht darin, die emittierte Fluoreszenz zu messen.

„In unserem Experiment haben wir zunächst die Photolumineszenz der NV-Zentren unter verschiedenen Drücken gemessen“, erklärt Liu. „Wir beobachteten Fluoreszenz bei fast 100 GPa, ein unerwartetes Ergebnis, das uns dazu veranlasste, nachfolgende ODMR-Messungen durchzuführen.“

Während das Ergebnis etwas überraschend war, stellt Liu fest, dass das Diamantgitter sehr stabil ist und keinen Phasenübergang erfährt, selbst bei Drücken von 100 GPa (1 Mbar oder fast 1 Million Mal so viel wie der atmosphärische Druck der Erde auf Meereshöhe). Und während solch hohe Drücke die Energieniveaus und optischen Eigenschaften von NV-Zentren verändern, verlangsamt sich die Änderungsrate bei höheren Drücken, sodass die Fluoreszenz bestehen bleibt. Dennoch sagte er gegenüber Physics World, es sei „keine leichte Aufgabe“ gewesen, ODMR-Spektren bei Mbar-Drücken zu erhalten.

„Es gibt viele technische Herausforderungen, die wir bewältigen müssen“, sagt er. „Eine davon ist insbesondere, dass hohe Drücke das NV-Fluoreszenzsignal verringern und zusätzliche Hintergrundfluoreszenz erzeugen.“

Die Forscher überwanden diese Probleme, indem sie ein großes Ensemble von NV-Zentren (~5 × 105 in einem einzelnen Mikrodiamanten) verwendeten und die Lichtsammeleffizienz ihres experimentellen Systems optimierten. Aber damit waren ihre Sorgen noch nicht zu Ende. Sie mussten außerdem einen großen Druckgradienten über dem Sensor vermeiden, da jede Inhomogenität in der Druckverteilung die OMDR-Spektren verbreitert und den Signalkontrast verschlechtert hätte.

„Um dieser Herausforderung zu begegnen, wählten wir Kaliumbromid (KBr) als Druckmedium und begrenzten das Detektionsvolumen auf etwa 1 um3“, sagt Liu. „Mit diesem Ansatz konnten wir eine ODMR von NV-Zentren bei fast 140 GPa erhalten.“

Der maximale Druck könnte sogar noch höher sein, fügt er hinzu, da die druckbedingten Veränderungen der Energieniveaus in NV-Zentren kleiner ausfielen als erwartet. „Die größte Herausforderung zur Erreichung dieses Ziels besteht darin, hohe Drücke mit geringem oder keinem Druckgradienten zu erzeugen“, sagt Liu. „Mit Edelgas als Druckübertragungsmedium könnte dies möglich sein.“

Quantengravitationsgradientensensor, der im Freien zum Auffinden von Tunneln verwendet wird

Laut Liu und Kollegen zeigen diese Experimente, dass NV-Zentren als In-situ-Quantensensoren zur Untersuchung der magnetischen Eigenschaften von Materialien bei Mbar-Drucken verwendet werden könnten. Ein Beispiel könnte die Untersuchung des Meissner-Effekts (Ausschluss von Magnetfeldern) in LaH10 sein, einem Hochtemperatur-Supraleiter, der nur bei Drücken über 160 GPa synthetisiert werden kann.

Die Forscher wollen nun ihre Sensoren optimieren und deren Hochdruckgrenze bestimmen. Sie hoffen auch, ihre magnetische Empfindlichkeit zu verbessern (durch Optimierung der Fluoreszenzsammeleffizienz) und multimodale Sensorsysteme zu entwickeln – zum Beispiel die gleichzeitige Messung von Temperatur und Magnetfeld.

Sie beschreiben ihre aktuelle Studie ausführlich in Chinese Physics Letters.