Desde su invención hace más de 60 años, Las células del yunque de diamante han hecho posible que los científicos recreen fenómenos extremos, como las presiones aplastantes en las profundidades del manto de la Tierra, o que permitan reacciones químicas que solo pueden desencadenarse con una presión intensa. todo dentro de los límites de un aparato de laboratorio que puede sostener con seguridad en la palma de su mano.

Para desarrollar nuevos, materiales de alto rendimiento, los científicos deben comprender cuán útiles son las propiedades, como el magnetismo y la fuerza, cambiar 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.

Desde 2018, científicos del Centro de Nuevos Caminos hacia la Coherencia Cuántica en Materiales (NPQC), un Centro de Investigación de la Frontera de la Energía dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab), han tratado de comprender cómo se pueden aprovechar las propiedades de los materiales electrónicos y ópticos para desarrollar sensores ultrasensibles capaces de medir campos eléctricos y magnéticos.

Ahora, un equipo de científicos dirigido por Berkeley Lab y UC Berkeley, con el apoyo del NPQC, han encontrado una solución inteligente:convirtiendo los defectos atómicos naturales dentro de los yunques de los diamantes en pequeños sensores cuánticos, los científicos han desarrollado una herramienta que abre la puerta a una amplia gama de experimentos inaccesibles para los sensores convencionales. Sus hallazgos, que fueron reportados en la revista Ciencias , tienen implicaciones para una nueva generación de materiales de diseño, así como la síntesis de nuevos compuestos químicos, atómicamente afinado por presión.

Convirtiendo fallas atómicas en sensores

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 salir de su "sitio de celosía, "un espacio en la estructura del cristal que es como su lugar de estacionamiento asignado. Cuando una impureza de átomo de nitrógeno atrapado en el cristal se encuentra adyacente a un sitio vacío, se forma un defecto atómico especial:un centro de vacantes de nitrógeno (NV).

Durante la ultima decada, Los científicos han utilizado los 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, explicó Norman Yao, científico de la facultad en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor asistente de física en UC Berkeley.

Para aprovechar las propiedades de detección intrínsecas de los centros NV, Yao y sus colegas diseñaron una capa delgada de ellos directamente dentro del yunque del diamante para tomar una instantánea de la física dentro de la cámara de alta presión.

Estrés de imagen dentro de la celda del yunque de diamante

Después de generar una capa de sensores centrales NV de unos pocos cientos de átomos de espesor dentro de diamantes de un décimo de quilate, los investigadores probaron la capacidad de los sensores NV para medir la cámara de alta presión de la celda del yunque de diamante.

Los sensores brillan con 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.

Lo que encontraron los sorprendió:los sensores NV sugirieron que la superficie una vez plana del yunque de diamante comenzó a curvarse en el centro bajo presión.

Coautor Raymond Jeanloz, profesor de ciencia terrestre y planetaria en UC Berkeley, y su equipo identificó el fenómeno como "ahuecamiento", una concentración de la presión hacia el centro de las puntas del yunque.

"Sabían de este efecto durante décadas, pero estaban acostumbrados a verlo a 20 veces la presión, donde se puede ver la curvatura a simple vista, "Dijo Yao." Sorprendentemente, nuestro sensor de yunque de diamante fue capaz de detectar esta pequeña curvatura incluso a las presiones más bajas ".

Hubo otras sorpresas también. Cuando una mezcla de metanol / etanol que exprimieron experimentó una transición vítrea de un líquido a un sólido, la superficie del diamante pasó de ser un cuenco liso a ser irregular, superficie texturizada. Las simulaciones mecánicas realizadas por el coautor Valery Levitas de la Universidad Estatal de Iowa y el Laboratorio Ames confirmaron el resultado.

"Esta es una forma fundamentalmente nueva de medir las transiciones de fase en materiales a alta presión, y esperamos que esto pueda complementar los métodos convencionales que utilizan una potente radiación de rayos X de una fuente de sincrotrón, "dijo el autor principal Satcher Hsieh, investigador de doctorado en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y en el Grupo Yao en UC Berkeley.

Los coautores principales con Hsieh son el investigador estudiante de posgrado Prabudhya Bhattacharyya y el investigador postdoctoral Chong Zu del Grupo Yao en UC Berkeley.

Magnetismo bajo presión

En otro experimento, los investigadores utilizaron su conjunto de sensores NV para capturar una "instantánea" magnética de hierro y gadolinio.

El hierro y el gadolinio son metales magnéticos. Los científicos saben desde hace mucho tiempo que la compresión de hierro y gadolinio puede alterarlos de una fase magnética a una no magnética. un resultado de lo que los científicos llaman una "transición de fase inducida por la presión". En el caso del hierro, los investigadores tomaron imágenes directamente de esta transición midiendo el agotamiento del campo magnético generado por una cuenta de hierro del tamaño de una micra (o una millonésima parte de un metro) dentro de la cámara de alta presión.

En el caso del gadolinio, los investigadores adoptaron un enfoque diferente. En particular, los electrones dentro del gadolinio "zumban alegremente en direcciones aleatorias, "y este caótico" mosh pit "de electrones genera un campo magnético fluctuante que el sensor NV puede medir, Dijo Hsieh.

Los investigadores notaron que los sensores centrales de NV pueden cambiar a diferentes estados cuánticos magnéticos en presencia de fluctuaciones magnéticas. muy parecido a cómo la aguja de una brújula gira en diferentes direcciones cuando agitas una barra magnética cerca de ella.

Entonces postularon que al medir el tiempo que tardaban los centros NV en pasar de un estado magnético a otro, podrían caracterizar la fase magnética del gadolinio midiendo el "ruido" magnético que emana del movimiento de los electrones del gadolinio.

Descubrieron que cuando el gadolinio está en una fase no magnética, sus electrones están sometidos, y sus fluctuaciones de campo magnético, por tanto, son débiles. Después, los sensores de NV permanecen en un solo estado cuántico magnético durante mucho tiempo, casi cien microsegundos.

En cambio, cuando la muestra de gadolinio cambió a una fase magnética, los electrones se movían rápidamente, provocando que el sensor NV cercano cambie rápidamente a otro estado cuántico magnético.

Este cambio repentino proporcionó una clara evidencia de que el gadolinio había entrado en una fase magnética diferente, Hsieh dijo:añadiendo que su técnica les permitió identificar las propiedades magnéticas en la muestra con precisión submicrónica en lugar de promediar toda la cámara de alta presión como en estudios anteriores.

Los investigadores esperan que esta técnica de "espectroscopia de ruido" proporcione a los científicos una nueva herramienta para explorar las fases de la materia magnética que se puede utilizar como base para los más pequeños, más rápido, y formas más económicas de almacenar y procesar datos a través de dispositivos espintrónicos ultrarrápidos de próxima generación.

Próximos pasos

Ahora que han demostrado cómo diseñar centros NV en celdas de yunque de diamante, los investigadores planean usar su 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 se almacena y transfiere la energía.

Y también les gustaría explorar la ciencia fuera de la física. "Lo más emocionante para mí es que esta herramienta puede ayudar a tantas comunidades científicas diferentes, ", dice Hsieh." Ha surgido colaboraciones con grupos que van desde químicos de alta presión hasta paleomagnetistas marcianos y científicos de materiales cuánticos ".

Investigadores de Berkeley Lab; UC Berkeley; Ludwig-Maximilian-Universität, Alemania; Universidad del Estado de Iowa; Institución Carnegie de Washington, Washington, CORRIENTE CONTINUA.; y Ames Laboratory participaron en el trabajo.