Forskare upptäckte nyligen att styrkan hos magnetfältet som krävs för att framkalla en viss kvantmekanisk process, såsom fotoluminescens och förmågan att kontrollera spinntillstånd med elektromagnetiska (EM) fält, motsvarar materialets temperatur. Baserat på detta fynd, forskare kan bestämma ett provs temperatur till en upplösning på en kubikmikron genom att mäta fältstyrkan vid vilken denna effekt inträffar. Temperaturavkänning är integrerad i de flesta industriella, elektroniska och kemiska processer, så större rumslig upplösning skulle kunna gynna kommersiella och vetenskapliga sysselsättningar. Teamet rapporterar sina resultat i AIP avancerar .

I diamanter, kväveatomer kan ersätta kolatomer; när detta inträffar bredvid vakanser i kristallgittret, det ger användbara kvantegenskaper. Dessa vakanser kan ha en negativ eller neutral laddning. Negativt laddade vakanscentra är också fotoluminescerande och producerar en detekterbar glöd när de utsätts för vissa våglängder av ljus. Forskare kan använda ett magnetfält för att manipulera elektronernas spinn i de lediga platserna, vilket ändrar intensiteten av fotoluminescensen.

Ett team av ryska och tyska forskare skapade ett system som kan mäta temperaturer och magnetfält med mycket små upplösningar. Forskarna producerade kristaller av kiselkarbid med vakanser som liknar kvävevakanscentra i diamanter. Sedan, de exponerade kiselkarbiden för infrarött laserljus i närvaro av ett konstant magnetfält och registrerade den resulterande fotoluminescensen.

Starkare magnetfält gör det lättare för elektroner i dessa vakanser att överföra mellan energispintillstånd. Vid en specifik fältstyrka, andelen elektroner med spin 3/2 ändras snabbt, i en process som kallas anticrossing. Ljusstyrkan hos fotoluminescensen beror på andelen elektroner i olika spinntillstånd, så forskarna kunde mäta styrkan på magnetfältet genom att övervaka förändringen i ljusstyrka.

Dessutom, luminescensen förändras abrupt när elektroner i dessa vakanser genomgår korsrelaxation, en process där ett exciterat kvantsystem delar energi med ett annat system i sitt grundtillstånd, för båda till ett mellanliggande tillstånd. Styrkan på fältet som behövs för att framkalla korsrelaxation är direkt kopplad till materialets temperatur. Genom att variera styrkan på fältet, och inspelning när fotoluminescensen plötsligt ändrades, forskarna kunde beräkna temperaturen i regionen av kristallen som undersöktes. Teamet blev förvånade när de upptäckte att kvanteffekterna kvarstod även vid rumstemperatur.

"Denna studie tillåter oss att skapa temperatur- och magnetfältssensorer i en enhet, sa Andrey Anisimov, från Ioffe Physical-Technical Institute of the Russian Academy of Sciences och en av författarna till tidningen. Dessutom, sensorer kan miniatyriseras till 100 nanometer, som skulle göra det möjligt att använda dem inom rymdindustrin, geofysiska observationer och till och med biologiska system. "I motsats till diamant, kiselkarbid är redan ett tillgängligt halvledarmaterial, och dioder och transistorer är redan gjorda av det, " sa Anisimov.