大气压的140万倍！中国科学家打破量子传感器的工作压力记录

光子盒研究院出品

近日，中国科学院的物理学家发现，基于金刚石晶体结构中的微观缺陷的量子传感器可以在高达140吉帕（压强单位，1吉帕等于10亿帕）的压力下工作，这相当于140万个标准大气压。由此也创造了基于氮空位（NV）中心的量子传感器的工作压力记录，其新发现的耐久性可能有利于凝聚态物理和地球物理学的研究。

测量不同压力下NV色心的光致发光。

01

金刚石中的NV色心：脆弱

当金刚石中两个相邻的碳原子被一个氮原子和一个空的晶格位点取代时，就会出现NV色心。它们就像具有不同自旋的微小量子磁铁，当用激光脉冲激发时，它们发出的荧光信号可以用来监测附近材料样本磁性的微小变化。这是因为发射的NV中心信号的强度随着当地磁场的变化而变化。

问题是，这种传感器很脆弱，而且往往在恶劣的条件下无法工作。这使得它们难以用于研究地球内部，因为那里普遍存在吉帕（GPa）的压力，或调查像氢化物超导体这样的材料，这些材料是在非常高的压力下制造的。

02

光学检测的磁共振

吉帕压力下的金刚石量子传感器

在吉帕压力下金刚石NV中心的光学检测磁共振（ODMR）

在这项新工作中，由中国科学院北京凝聚态物理国家研究中心和物理研究所的刘刚钦领导的团队，首先创建了一个被称为金刚石砧单元（DAC，diamond anvil cell）的微观高压室，在其中放置他们的传感器：这些传感器由含有NV色心组合的微金刚石组成。这种类型的传感器的工作得益于一种叫做光学检测磁共振（ODMR）的技术，在这种技术中，样品首先用激光（波长为532纳米）激发，然后通过微波脉冲进行操作。研究人员使用一种薄的铂金丝来应用微波脉冲，这种铂金丝对高压很坚固。最后再测量所发射的荧光。

“在实验中，我们首先测量了不同压力下NV中心的光致发光，”刘解释说：“我们在将近100吉帕时观察到了荧光，这是一个出乎意料的结果，促使我们进行后续的ODMR测量。”

虽然这个结果令人惊讶，但刘指出，金刚石晶格非常稳定，不会发生相变，即使在100吉帕（1Mbar，或地球海平面大气压的近100万倍）的压力下也是如此。虽然如此高的压力确实改变了NV色心的能量水平和光学特性，但在更高的压力下，改变的速度会减慢，从而使荧光得以持续。即便如此，刘刚钦解释道，在Mbar压力下获得ODMR光谱“并非易事”。

“我们必须克服许多技术挑战，其中一个特别的问题是，高压会降低NV的荧光信号，并带来额外的背景荧光。”

研究人员通过使用大量的NV色心组合（大约5×105个在一个单一的微金刚石中）和优化其实验系统的光收集效率来克服这些问题。但是，他们还需要避免在传感器上出现大的压力梯度：因为压力分布的任何不均匀性都会扩大OMDR光谱并降低信号对比度。

“为了应对这一挑战，我们选择了溴化钾（KBr）作为压力介质，并将检测体积限制在1um3左右，我们能够使用这种方法在将近140GPa的压力下获得NV色心的ODMR。”

刘刚钦补充说，最大的压力可能会更高，因为压力引起的NV色心能级的修改结果比预期的要小。“实现这一目标的关键挑战是产生压力梯度小或无压力的高压。这可能是使用惰性气体作为压力传递介质的可能性。”

03

正在确定传感器的高压极限

金刚石NV色心的量子控制以及应变和磁场的原位传感

最后，这些实验表明，NV色心可以被用作原位量子传感器（situ quantum sensors），用于研究Mbar压力下材料的磁性。

现在，研究人员正在计划优化他们的传感器并确定其高压极限；他们还希望提高磁灵敏度（通过优化荧光收集效率），并开发多模式传感方案，以同时测量温度和磁场。

论文原文：

https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2204/2204.05064.pdf

参考链接：

https://physicsworld.com/a/quantum-sensor-survives-at-record-high-pressures/

相关阅读：

每周一到周五，我们都将与光子盒的新老朋友相聚在微信视频号，不见不散！

你可能会错过：|qu|cryovac>