Sensores Cuánticos Revelan Transformaciones de Materiales Bajo Presión Extrema

Las celdas de yunque de diamante han hecho posible que los científicos recreen fenómenos extremos, como las presiones aplastantes en el manto terrestre, o permitan reacciones químicas que solo pueden activarse por presión intensa, todo dentro de un aparato de laboratorio. Para desarrollar nuevos materiales de alto rendimiento, los científicos necesitan entender cómo cambian las propiedades útiles, como el magnetismo y la resistencia, bajo tales condiciones adversas. Pero a menudo, medir estas propiedades con suficiente sensibilidad requiere un sensor que pueda soportar las fuerzas aplastantes dentro de una celda de yunque de diamante. Al convertir defectos atómicos naturales dentro de los yunques de diamante en diminutos sensores cuánticos, los científicos han desarrollado una herramienta que abre la puerta a una amplia gama de experimentos inaccesibles para sensores convencionales.

A nivel atómico, los diamantes deben su robustez a átomos de carbono unidos en una estructura cristalina tetraédrica. Pero cuando se forman los diamantes, algunos átomos de carbono pueden salir de su “sitio de red”, un espacio en la estructura cristalina que es como su plaza de aparcamiento asignada. Cuando un átomo de nitrógeno atrapado en el cristal se sienta adyacente a un sitio vacío, se forma un defecto atómico especial: un centro de vacancia de nitrógeno (NV). Los científicos han usado centros NV como diminutos 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 de ellos 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 de centros NV de unos pocos cientos de átomos de espesor dentro de diamantes de una décima 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 en un tono rojo brillante cuando se excitan con luz láser. Al sondear 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 una vez plana del yunque de diamante comenzó a curvarse en el centro bajo presión —un fenómeno llamado “acoplamiento”, una concentración de la presión hacia el centro de las puntas del yunque.

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