左圖是天然鉆石由于其不同的氮空位（NV）中心而在紫外線下發(fā)光。右側(cè)是示意圖，顯示了正在運(yùn)行的金剛石砧，NV中心位于底部砧。NV傳感器在被激光激發(fā)時(shí)會(huì)發(fā)出明亮的紅色陰影。通過探測(cè)這種熒光的亮度，研究人員能夠看到傳感器如何響應(yīng)環(huán)境中的細(xì)微變化。（圖片來源：姚諾/伯克利實(shí)驗(yàn)室；埃拉·馬魯申科）

自60年前發(fā)明以來，金剛石砧座細(xì)胞使科學(xué)家能夠重現(xiàn)極端現(xiàn)象，例如地球地幔深處的壓碎力，或使僅在強(qiáng)烈壓力下觸發(fā)的化學(xué)反應(yīng)全都在您可以安全地握在手中的實(shí)驗(yàn)室儀器的范圍內(nèi)。

為了開發(fā)新的高性能材料，科學(xué)家們需要了解有用的特性（如磁性和強(qiáng)度）在如此惡劣的條件下如何變化。但是通常，要以足夠的靈敏度測(cè)量這些特性，就需要一個(gè)能夠承受金剛石砧座內(nèi)部壓碎力的傳感器。

自2018年以來，由美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（伯克利實(shí)驗(yàn)室）牽頭的能源前沿研究中心-材料量子相干性新途徑中心（NPQC）的科學(xué)家一直在尋求了解電子和電子的特性可以利用光學(xué)材料來開發(fā)能夠測(cè)量電場(chǎng)和磁場(chǎng)的超靈敏傳感器。

現(xiàn)在，由伯克利實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分校領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家在NPQC的支持下提出了一個(gè)聰明的解決方案：通過將鉆石砧內(nèi)部的自然原子缺陷轉(zhuǎn)變成微小的量子傳感器，科學(xué)家們開發(fā)了一種可以打開傳統(tǒng)傳感器無法進(jìn)行的大量實(shí)驗(yàn)之門。他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，對(duì)新一代智能設(shè)計(jì)材料以及通過壓力進(jìn)行原子微調(diào)的新化學(xué)化合物的合成具有影響。

將原子缺陷轉(zhuǎn)化為傳感器

在原子水平上，鉆石的堅(jiān)固性歸功于四面體晶體結(jié)構(gòu)中結(jié)合在一起的碳原子。但是，當(dāng)鉆石形成時(shí)，一些碳原子會(huì)從其“晶格部位”被撞出，“晶格部位”是晶體結(jié)構(gòu)中的一個(gè)空間，就像它們分配的停車位一樣。當(dāng)捕獲在晶體中的氮原子雜質(zhì)靠近空位時(shí)，會(huì)形成特殊的原子缺陷：氮空位（NV）中心。

伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)系的科學(xué)家Norman Yao解釋說，在過去十年中，科學(xué)家將NV中心用作微型傳感器來測(cè)量單個(gè)蛋白質(zhì)的磁性，單個(gè)電子的電場(chǎng)以及活細(xì)胞內(nèi)部的溫度。加州大學(xué)伯克利分校物理系助理教授。

為了利用NV中心的固有傳感特性，Yao及其同事在金剛石砧座的內(nèi)部直接設(shè)計(jì)了薄薄的一層，以便對(duì)高壓室內(nèi)的物理情況進(jìn)行快照。

成像金剛石砧座內(nèi)部的應(yīng)力

研究人員在十分之一克拉的鉆石中生成了一層厚度為數(shù)百個(gè)原子的NV中心傳感器之后，研究人員測(cè)試了NV傳感器測(cè)量金剛石砧室高壓腔的能力。

合著者Satcher Hsieh（左）和Chong Zu調(diào)整了成像系統(tǒng)的激光。當(dāng)被激光激發(fā)時(shí)，NV中心會(huì)發(fā)出光子，其光度會(huì)通知研究人員他們所感測(cè)的當(dāng)?shù)丨h(huán)境。圖片來源：Marilyn Sargent /伯克利實(shí)驗(yàn)室

當(dāng)被激光激發(fā)時(shí)，傳感器發(fā)出明亮的紅色陰影。通過探測(cè)這種熒光的亮度，研究人員能夠看到傳感器如何響應(yīng)環(huán)境中的細(xì)微變化。

他們發(fā)現(xiàn)的結(jié)果使他們感到驚訝：NV傳感器表明，曾經(jīng)是平坦的鉆石砧表面在壓力作用下開始在中心彎曲。

加州大學(xué)伯克利分校地球和行星科學(xué)教授雷蒙德·讓洛茲（Raymond Jeanloz）的合著者和他的團(tuán)隊(duì)將這種現(xiàn)象識(shí)別為“凹陷”，即向砧尖中心的壓力集中。

姚說：“他們已經(jīng)知道這種影響數(shù)十年了，但習(xí)慣于在20倍的壓力下看到它，在這里您可以通過眼睛看到彎曲。” “值得注意的是，我們的鉆石砧傳感器即使在最低壓力下也能夠檢測(cè)到這種微小的彎曲�！�

還有其他驚喜。當(dāng)他們擠壓的甲醇/乙醇混合物經(jīng)歷從液體到固體的玻璃化轉(zhuǎn)變時(shí)，鉆石表面從光滑的碗變成鋸齒狀，有紋理的表面。愛荷華州立大學(xué)的Valery Levitas和Ames實(shí)驗(yàn)室的合著者進(jìn)行的機(jī)械模擬證實(shí)了這一結(jié)果。

“這是從根本上測(cè)量高壓材料中相變的一種新方法，我們希望這可以補(bǔ)充利用同步輻射源產(chǎn)生的強(qiáng)大X射線輻射的傳統(tǒng)方法，”伯克利實(shí)驗(yàn)室（Berkeley Lab）博士研究人員Satcher Hsieh說。加州大學(xué)伯克利分校的材料科學(xué)部和Yao組的成員。

Hsieh的共同主要作者是加州大學(xué)伯克利分校的研究生研究員Prabudhya Bhattacharyya和Yao Group的博士后研究員Chong Zu。

壓力下的磁性

在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用他們的NV傳感器陣列來捕獲鐵和g的磁性“快照”。

鐵和g是磁性金屬。長(zhǎng)期以來，科學(xué)家一直知道壓縮鐵和can可以將它們從磁性相轉(zhuǎn)變?yōu)榉谴判韵�，這就是科學(xué)家所說的“壓力引起的相變”的結(jié)果。在鐵的情況下，研究人員通過測(cè)量高壓室內(nèi)的微米大�。ɑ虬偃f(wàn)分之一米）的鐵珠產(chǎn)生的磁場(chǎng)的損耗，直接對(duì)這種轉(zhuǎn)變進(jìn)行了成像。

鉆石砧室。通過在這兩個(gè)相對(duì)的砧座之間壓縮樣品，可以獲得大于地球中心的壓力。圖片來源：Marilyn Sargent /伯克利實(shí)驗(yàn)室

對(duì)于of，研究人員采用了另一種方法。尤其是，said內(nèi)部的電子“愉快地在隨機(jī)方向旋轉(zhuǎn)”，而這種混亂的電子“霧坑”產(chǎn)生了波動(dòng)的磁場(chǎng)，NV傳感器可以測(cè)量到這種磁場(chǎng)。

研究人員指出，NV中心傳感器在存在磁波動(dòng)的情況下可以翻轉(zhuǎn)成不同的磁量子狀態(tài)，就像在附近揮動(dòng)條形磁鐵時(shí)指南針朝不同方向旋轉(zhuǎn)一樣。

因此，他們推測(cè)通過計(jì)時(shí)NV中心從一種磁性狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種磁性狀態(tài)所花費(fèi)的時(shí)間，可以通過測(cè)量measuring電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁性“噪聲”來表征g的磁性相。

他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)in處于非磁性相時(shí)，its的電子會(huì)被制服，因此磁場(chǎng)波動(dòng)很小。隨后，NV傳感器在單個(gè)磁量子狀態(tài)中停留了很長(zhǎng)的時(shí)間-近一百微秒。

相反，當(dāng)sample樣品變?yōu)榇判韵鄷r(shí)，電子迅速移動(dòng)，從而使附近的NV傳感器迅速翻轉(zhuǎn)至另一種磁性量子態(tài)。

Hsieh說，這種突然的變化提供了清楚的證據(jù)，證明g已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)不同的磁相，并補(bǔ)充說，他們的技術(shù)使他們能夠以亞微米的精度查明整個(gè)樣品的磁性能，而不是像以前的研究那樣對(duì)整個(gè)高壓腔進(jìn)行平均。

研究人員希望，這種“噪聲光譜”技術(shù)將為科學(xué)家提供一種新的工具，用于探索磁性物質(zhì)的各個(gè)階段，這些階段可以用作通過下一代超快速自旋電子器件以較小，更快，更便宜的方式存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。 。

下一步

現(xiàn)在，他們已經(jīng)展示了如何將NV中心設(shè)計(jì)到金剛石砧座中，研究人員計(jì)劃使用他們的設(shè)備來探索超導(dǎo)氫化物的磁性行為。超導(dǎo)氫化物是在高壓下在室溫附近不會(huì)損失電的導(dǎo)電材料，這可能會(huì)改變能量的使用方式。被存儲(chǔ)和傳輸。

他們還想探索物理學(xué)以外的科學(xué)。Hsieh說：“對(duì)我而言，最令人興奮的是，該工具可以幫助眾多不同的科學(xué)界。” “它正在與從高壓化學(xué)家到火星古磁性學(xué)家到量子材料科學(xué)家的小組加強(qiáng)合作�！�

伯克利實(shí)驗(yàn)室的研究人員；加州大學(xué)伯克利分校 德國(guó)路德維希-馬克西米利安大學(xué)；愛荷華州立大學(xué)；華盛頓哥倫比亞特區(qū)卡內(nèi)基研究所；艾姆斯實(shí)驗(yàn)室參加了這項(xiàng)工作。