Мир квантовой физики уже загадочен, но что происходит, когда эта странная область субатомных частиц подвергается огромному давлению? Наблюдение квантовых эффектов под давлением оказалось сложной задачей по простой причине: создание датчиков, способных выдерживать экстремальные нагрузки, — непростая задача.
Однако команда под руководством физиков из Вашингтонского университета (WashU) добилась значительного прогресса, создав квантовые датчики в нерушимом листе кристаллизованного нитрида бора. Датчики могут измерять напряжение и магнетизм в материалах под давлением, которое превышает атмосферное в 30 000 раз.
«Мы первые, кто разработал такой датчик высокого давления», — сказал Чонг Зу, доцент кафедры физики в Центре квантовых скачков Вашингтонского университета в Сент-Луисе. «Он может найти широкое применение в различных областях: от квантовых технологий, материаловедения до астрономии и геологии».
Описание разработки
Команда описала свои открытия в журнале Nature Communications. Соавторами статьи являются аспиранты из лаборатории Зу, включая Гуанхуэй Хэ, Руотян «Реджинальд» Гонг, Чжунъюань Лю и Чанъюй Яо; аспирант Зак Реффасс; постдокторский исследователь Минфэн Чен; а также Си Ван и Шэн Ран, доценты кафедры физики. Гуанхуэй Хэ также провёл шесть месяцев в Гарвардском университете, работая с физиком Норманом Яо, ещё одним соавтором.
Для создания датчиков команда использовала пучки нейтронного излучения, чтобы выбить атомы бора из тонких листов нитрида бора. Вакансии могут немедленно улавливать электроны. Из-за взаимодействий на квантовом уровне электроны изменяют свою спиновую энергию в зависимости от магнетизма, напряжения, температуры и других свойств близлежащих материалов. Отслеживание спина каждого электрона позволяет получить глубокое понимание на квантовом уровне любого изучаемого материала.
Предыдущие достижения
Зу и его коллеги ранее создали квантовые датчики, создав вакансии в алмазах, которые питают два квантовых алмазных микроскопа WashU. Хотя они эффективны, у алмазных датчиков есть недостаток: поскольку алмазы трёхмерны, трудно разместить датчики близко к изучаемому материалу.
В отличие от них, листы нитрида бора могут быть толщиной менее 100 нанометров — примерно в 1000 раз тоньше человеческого волоса. «Поскольку датчики находятся в материале, который по сути двумерен, между датчиком и материалом, который он измеряет, менее нанометра (миллиардной доли метра)», — сказал Зу.
Алмазы по-прежнему играют важную роль. «Чтобы измерить материалы под высоким давлением, нам нужно поместить материал на платформу, которая не сломается», — объяснил Хэ.
Для измерения материалов под высоким давлением команда использовала «алмазные наковальни» — две плоские алмазные поверхности, каждая шириной около 400 микрометров, примерно с ширину четырёх пылевых частиц, которые сжимаются вместе в камере высокого давления. «Самый простой способ создать высокое давление — это приложить большую силу к небольшой поверхности», — объяснил Хэ.
Испытания показали, что новые датчики могут обнаруживать тонкие изменения магнитного поля двумерного магнита. Далее исследователи планируют протестировать другие материалы, включая образцы горных пород, подобных тем, которые встречаются в условиях высокого давления в ядре Земли. «Измерение того, как эти породы реагируют на давление, может помочь нам лучше понять землетрясения и другие крупномасштабные события», — сказал Зу.
Датчики также могут способствовать исследованиям сверхпроводимости — способности проводить электричество без сопротивления. В настоящее время известные сверхпроводники требуют чрезвычайно высокого давления и низких температур. Предыдущие утверждения о том, что некоторые материалы могут действовать как сверхпроводники при комнатной температуре, оказались весьма спорными. «С помощью такого рода датчиков мы можем собрать необходимые данные, чтобы положить конец спорам», — сказал Гонг, который вместе с Хэ был одним из первых авторов статьи.
«Теперь, когда у нас есть эти датчики, камера высокого давления и алмазные наковальни, у нас будет больше возможностей для исследований», — сказал Зу.
Предоставлено Вашингтонским университетом в Сент-Луисе.