Diminutos sensores cuánticos ven cómo los materiales se transforman bajo presión

Las celdas de yunque de diamante han hecho posible que los científicos recreen fenómenos extremos, como las presiones aplastantes en el interior del manto de la Tierra, o permitir reacciones químicas que solo pueden desencadenarse por una presión intensa, todo dentro de los límites de un aparato de laboratorio. Para desarrollar nuevos materiales de alto rendimiento, los científicos deben comprender cómo cambian las propiedades útiles, como el magnetismo y la fuerza, en condiciones tan duras. Pero a menudo, medir estas propiedades con suficiente sensibilidad requiere un sensor que pueda soportar las fuerzas de aplastamiento dentro de una celda de yunque de diamante. Al convertir los defectos atómicos naturales dentro de los yunques de diamante en pequeños sensores cuánticos, los científicos han desarrollado una herramienta que abre la puerta a una amplia gama de experimentos inaccesibles a los sensores convencionales.

A nivel atómico, los diamantes deben su solidez a los átomos de carbono unidos en una estructura cristalina tetraédrica. Pero cuando se forman los diamantes, algunos átomos de carbono pueden ser expulsados ​​de su "sitio de red", un espacio en la estructura cristalina que es como su lugar de estacionamiento asignado. Cuando una impureza de átomo de nitrógeno atrapada en el cristal se asienta junto a un sitio vacío, se forma un defecto atómico especial:un centro de vacante de nitrógeno (NV). Los científicos han utilizado centros NV como pequeños sensores para medir el magnetismo de una sola proteína, el campo eléctrico de un solo electrón y la temperatura dentro de una célula viva.

Para aprovechar las propiedades de detección intrínsecas de los centros NV, los investigadores diseñaron una capa delgada directamente dentro del yunque de diamante para tomar una instantánea de la física dentro de la cámara de alta presión. Después de generar una capa de sensores centrales NV de unos cientos de átomos de espesor dentro de diamantes de una décima parte de quilate, los investigadores probaron la capacidad de los sensores NV para medir la cámara de alta presión de la celda de yunque de diamante.

Los sensores brillan con un tono rojo brillante cuando se excitan con luz láser. Al probar el brillo de esta fluorescencia, los investigadores pudieron ver cómo respondían los sensores a pequeños cambios en su entorno. Los sensores NV sugirieron que la superficie que alguna vez fue plana del yunque de diamante comenzó a curvarse en el centro bajo presión, un fenómeno llamado "ahuecamiento", una concentración de la presión hacia el centro de las puntas del yunque.

Ahora que han demostrado cómo diseñar centros NV en células de yunque de diamante, los investigadores planean usar el dispositivo para explorar el comportamiento magnético de los hidruros superconductores, materiales que conducen la electricidad sin pérdida cerca de la temperatura ambiente a alta presión, lo que podría revolucionar la forma en que la energía se almacena y transfiere.