Capteurs quantiques révèlent les transformations de matériaux sous pression extrême

Les cellules à enclume de diamant ont permis aux scientifiques de recréer des phénomènes extrêmes, tels que les pressions écrasantes au 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 à haute performance, les scientifiques doivent comprendre comment des propriétés utiles, comme le magnétisme et la résistance, changent sous de telles conditions difficiles. Mais souvent, mesurer ces propriétés avec suffisamment de sensibilité nécessite un capteur capable de résister aux forces d'écrasement à l'intérieur d'une cellule à enclume de diamant. En transformant des 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 une large gamme d'expériences inaccessibles aux capteurs conventionnels.

Au niveau atomique, les diamants doivent leur robustesse aux atomes de carbone liés ensemble dans une structure cristalline tétraédrique. Mais quand les diamants se forment, certains atomes de carbone peuvent être éjectés de leur « site de réseau », un espace dans la structure cristalline qui est comme leur place de stationnement assignée. Quand un atome d'azote piégé dans le cristal se trouve adjacent à un site vide, un défaut atomique spécial se forme : un centre azote-vacance (NV). Les scientifiques ont utilisé les centres NV comme 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 ont conçu une fine couche d'entre eux directement à l'intérieur de l'enclume de diamant afin de prendre un instantané de la physique dans la chambre à haute pression. Après avoir généré une couche de capteurs de centres NV de quelques centaines d'atomes d'épaisseur dans des diamants d'un dixième de carat, les chercheurs ont testé la capacité des capteurs NV à mesurer la chambre à haute pression de la cellule à enclume de diamant.

Les capteurs brillent d'un rouge éclatant quand ils sont excités par la lumière laser. En sondant la luminosité de cette fluorescence, les chercheurs ont pu voir comment les capteurs répondaient à de petits changements dans leur environnement. Les capteurs NV ont suggéré que la surface autrefois plate de l'enclume de diamant a commencé à se courber au centre sous la pression — un phénomène appelé « cupping », 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 stockée et transférée.