Sedan uppfinningen för mer än 60 år sedan, diamantstädceller har gjort det möjligt för forskare att återskapa extrema fenomen - såsom krosspressen djupt inne i jordens mantel - eller att möjliggöra kemiska reaktioner som bara kan utlösas av intensivt tryck, allt inom ramen för en laboratorieapparat som du säkert kan hålla i din handflata.

Att utveckla nytt, högpresterande material, forskare måste förstå hur användbara egenskaper, såsom magnetism och styrka, förändras under så hårda förhållanden. Men ofta, för att mäta dessa egenskaper med tillräcklig känslighet krävs en sensor som tål krosskrafterna inuti en diamantstädcell.

Sedan 2018 har forskare vid Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC), ett Energy Frontier Research Center som leds av U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), har försökt förstå hur egenskaperna hos elektroniska och optiska material kan utnyttjas för att utveckla ultrakänsliga sensorer som kan mäta elektriska och magnetiska fält.

Nu, ett team av forskare som leds av Berkeley Lab och UC Berkeley, med stöd från NPQC, har kommit fram till en smart lösning:Genom att förvandla naturliga atombrister inuti diamantstädet till små kvantsensorer, forskarna har utvecklat ett verktyg som öppnar dörren till ett brett spektrum av experiment som inte är tillgängliga för konventionella sensorer. Deras fynd, som rapporterades i tidningen Vetenskap , har konsekvenser för en ny generation smarta, designmaterial, liksom syntesen av nya kemiska föreningar, atomiskt finjusterat med tryck.

Förvandla atomfel till sensorer

På atomnivå, diamanter är skyldiga till kolatomer bundna i en tetraedrisk kristallstruktur. Men när diamanter bildas, vissa kolatomer kan stöta ut från deras "gitterplats, "ett utrymme i kristallstrukturen som är som deras tilldelade parkeringsplats. När en kväveatomförorening som är instängd i kristallen sitter intill en tom plats, en särskild atomfel bildas:ett kväve-tomrum (NV) centrum.

Under det senaste decenniet har forskare har använt NV -centra som små sensorer för att mäta magnetismen hos ett enda protein, det elektriska fältet från en enda elektron, och temperaturen inne i en levande cell, förklarade Norman Yao, fakultetsvetare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och biträdande professor i fysik vid UC Berkeley.

För att dra nytta av NV -centrenas inneboende avkänningsegenskaper, Yao och kollegor konstruerade ett tunt lager av dem direkt inuti diamantstädet för att ta en ögonblicksbild av fysiken i högtryckskammaren.

Bildspänning inuti diamantstädcellen

Efter att ha genererat ett lager av NV-centrumsensorer några hundra atomer i tjocklek inuti en tiondel-karat diamanter, forskarna testade NV-sensorernas förmåga att mäta diamantstädcellens högtryckskammare.

Sensorerna lyser en lysande nyans av rött när de exciteras med laserljus; genom att sondera ljusstyrkan för denna fluorescens, forskarna kunde se hur sensorerna reagerade på små förändringar i sin miljö.

Vad de hittade överraskade dem:NV-sensorerna föreslog att diamantstädets en gång plana yta började kurva i mitten under tryck.

Medförfattare Raymond Jeanloz, professor i jord- och planetvetenskap vid UC Berkeley, och hans team identifierade fenomenet som "cupping" - en koncentration av trycket mot mitten av städspetsarna.

"De hade känt till denna effekt i årtionden men var vana vid att se den vid 20 gånger trycket, där du kan se krökningen för ögat, "Sa Yao." Anmärkningsvärt, vår diamantstädssensor kunde upptäcka denna lilla krökning vid även det lägsta trycket. "

Det fanns andra överraskningar, för. När en metanol/etanolblandning de pressade genomgick en glasövergång från en vätska till en fast substans, diamantytan förvandlades från en slät skål till en ojämn, texturerad yta. Mekaniska simuleringar utförda av medförfattaren Valery Levitas från Iowa State University och Ames Laboratory bekräftade resultatet.

"Detta är ett helt nytt sätt att mäta fasövergångar i material vid högt tryck, och vi hoppas att detta kan komplettera konventionella metoder som använder kraftfull röntgenstrålning från en synkrotronkälla, "sa huvudförfattaren Satcher Hsieh, doktorand vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och i Yao -gruppen vid UC Berkeley.

Medförfattare med Hsieh är forskarstuderande forskare Prabudhya Bhattacharyya och postdoktor Chong Zu från Yao Group vid UC Berkeley.

Magnetism under tryck

I ett annat experiment, forskarna använde sitt utbud av NV -sensorer för att fånga en magnetisk "ögonblicksbild" av järn och gadolinium.

Järn och gadolinium är magnetiska metaller. Forskare har länge vetat att komprimering av järn och gadolinium kan ändra dem från en magnetisk fas till en icke -magnetisk fas, ett resultat av vad forskare kallar en "tryckinducerad fasövergång". När det gäller järn, forskarna avbildade direkt denna övergång genom att mäta utarmningen av magnetfältet som genereras av en järnstorlek (eller en miljonedel av en meter) järn inuti högtryckskammaren.

När det gäller gadolinium, forskarna tog ett annat tillvägagångssätt. Särskilt, elektronerna inuti gadolinium "susar glatt omkring i slumpmässiga riktningar, "och denna kaotiska" mosh pit "av elektroner genererar ett fluktuerande magnetfält som NV -sensorn kan mäta, Sa Hsieh.

Forskarna noterade att NV -centrumsensorerna kan vända sig till olika magnetiska kvanttillstånd i närvaro av magnetiska fluktuationer, ungefär som hur en kompassnål snurrar åt olika håll när du vinkar en stångmagnet nära den.

Så de postulerade att genom att ta fram hur lång tid det tog för NV -centren att vända från ett magnetiskt tillstånd till ett annat, de kunde karakterisera gadoliniumets magnetfas genom att mäta det magnetiska "bruset" som härrör från gadoliniumelektronernas rörelse.

De fann att när gadolinium befinner sig i en icke-magnetisk fas, dess elektroner är dämpade, och dess magnetfältfluktuationer är därför svaga. Senare, NV -sensorerna förblir i ett enda magnetiskt kvanttillstånd under en lång tid - nästan hundra mikrosekunder.

Omvänt, när gadoliniumprovet ändrades till en magnetisk fas, elektronerna rörde sig snabbt runt, vilket får den närliggande NV -sensorn att snabbt vända till ett annat magnetiskt kvanttillstånd.

Denna plötsliga förändring gav tydliga bevis på att gadolinium hade gått in i en annan magnetisk fas, Hsieh sa, tillade att deras teknik tillät dem att identifiera magnetiska egenskaper över provet med submikronprecision i motsats till medelvärdet över hela högtryckskammaren som i tidigare studier.

Forskarna hoppas att denna "bullespektroskopi" -teknik kommer att ge forskare ett nytt verktyg för att utforska faser av magnetisk materia som kan användas som grund för mindre, snabbare, och billigare sätt att lagra och bearbeta data genom nästa generations ultrasnabba spintronic-enheter.

Nästa steg

Nu när de har visat hur man konstruerar NV -centra till diamantstädceller, forskarna planerar att använda sin enhet för att utforska det magnetiska beteendet hos supraledande hydrider - material som leder elektricitet utan förlust nära rumstemperatur vid högt tryck, som kan revolutionera hur energi lagras och överförs.

Och de skulle också vilja utforska vetenskapen utanför fysiken. "Det som är mest spännande för mig är att det här verktyget kan hjälpa så många olika vetenskapliga samfund, "säger Hsieh." Det har växt fram samarbeten med grupper som sträcker sig från högtryckskemister till paleomagnetister från mars till kvantmaterialforskare. "

Forskare från Berkeley Lab; UC Berkeley; Ludwig-Maximilian-Universität, Tyskland; Iowa State University; Carnegie Institution of Washington, Washington, D.C .; och Ames Laboratory deltog i arbetet.