De minuscules capteurs quantiques observent la transformation des matériaux sous pression

Les cellules à enclumes en diamant ont permis aux scientifiques de recréer des phénomènes extrêmes, tels que les pressions écrasantes au plus profond du manteau terrestre, ou de permettre des réactions chimiques qui ne peuvent être déclenchées que par une pression intense, le tout dans les limites d'un appareil de laboratoire. Pour développer de nouveaux matériaux hautes performances, les scientifiques doivent comprendre comment les propriétés utiles, telles que le magnétisme et la force, changent dans des conditions aussi difficiles. Mais souvent, la mesure de ces propriétés avec une sensibilité suffisante nécessite un capteur capable de résister aux forces d'écrasement à l'intérieur d'une cellule à enclume en diamant. En transformant les défauts atomiques naturels à l'intérieur des enclumes de diamant en minuscules capteurs quantiques, les scientifiques ont développé un outil qui ouvre la porte à un large éventail d'expériences inaccessibles aux capteurs conventionnels.

Au niveau atomique, les diamants doivent leur robustesse aux atomes de carbone liés entre eux dans une structure cristalline tétraédrique. Mais lorsque les diamants se forment, certains atomes de carbone peuvent être expulsés de leur «site de réseau», un espace dans la structure cristalline qui ressemble à leur place de stationnement assignée. Lorsqu'une impureté d'atome d'azote piégée dans le cristal se trouve à côté d'un site vide, un défaut atomique spécial se forme :un centre de lacune d'azote (NV). Les scientifiques ont utilisé les centres NV comme de minuscules capteurs pour mesurer le magnétisme d'une seule protéine, le champ électrique d'un seul électron et la température à l'intérieur d'une cellule vivante.

Pour tirer parti des propriétés de détection intrinsèques des centres NV, les chercheurs en ont conçu une fine couche directement à l'intérieur de l'enclume en diamant afin de prendre un instantané de la physique dans la chambre à haute pression. Après avoir généré une couche de capteurs centraux NV de quelques centaines d'atomes d'épaisseur à l'intérieur de diamants d'un dixième de carat, les chercheurs ont testé la capacité des capteurs NV à mesurer la chambre haute pression de la cellule à enclume de diamant.

Les capteurs brillent d'une teinte rouge brillante lorsqu'ils sont excités par la lumière laser. En sondant la luminosité de cette fluorescence, les chercheurs ont pu voir comment les capteurs réagissaient à de petits changements dans leur environnement. Les capteurs NV ont suggéré que la surface autrefois plate de l'enclume en diamant commençait à se courber au centre sous la pression - un phénomène appelé "ventouse", une concentration de la pression vers le centre des pointes de l'enclume.

Maintenant qu'ils ont démontré comment concevoir des centres NV dans des cellules à enclume de diamant, les chercheurs prévoient d'utiliser l'appareil pour explorer le comportement magnétique des hydrures supraconducteurs - des matériaux qui conduisent l'électricité sans perte près de la température ambiante à haute pression, ce qui pourrait révolutionner la façon dont l'énergie est stocké et transféré.