Dalla loro invenzione più di 60 anni fa, le cellule dell'incudine di diamante hanno permesso agli scienziati di ricreare fenomeni estremi, come le pressioni di schiacciamento nelle profondità del mantello terrestre, o di consentire reazioni chimiche che possono essere innescate solo da un'intensa pressione, il tutto entro i confini di un apparato da laboratorio che puoi tenere tranquillamente nel palmo della tua mano.

Per sviluppare nuovi, materiali ad alte prestazioni, gli scienziati devono capire quanto siano utili le proprietà, come magnetismo e forza, cambiare in condizioni così dure. Ma spesso, misurare queste proprietà con sufficiente sensibilità richiede un sensore in grado di resistere alle forze di frantumazione all'interno di una cella a incudine di diamante.

Dal 2018, scienziati del Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC), un Energy Frontier Research Center guidato dal Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (Berkeley Lab), hanno cercato di capire come sfruttare le proprietà dei materiali elettronici e ottici per sviluppare sensori ultrasensibili in grado di misurare campi elettrici e magnetici.

Ora, un team di scienziati guidati da Berkeley Lab e UC Berkeley, con il sostegno dell'NPQC, hanno trovato una soluzione intelligente:trasformando i difetti atomici naturali all'interno delle incudini di diamante in minuscoli sensori quantistici, gli scienziati hanno sviluppato uno strumento che apre le porte a un'ampia gamma di esperimenti inaccessibili ai sensori convenzionali. Le loro scoperte, che sono stati riportati nel giornale Scienza , avere implicazioni per una nuova generazione di smart, materiali di design, così come la sintesi di nuovi composti chimici, atomicamente regolato dalla pressione.

Trasformare i difetti atomici in sensori

A livello atomico, i diamanti devono la loro robustezza agli atomi di carbonio legati insieme in una struttura cristallina tetraedrica. Ma quando si formano i diamanti, alcuni atomi di carbonio possono uscire dal loro "sito reticolare, " uno spazio nella struttura cristallina che è come il loro posto di parcheggio assegnato. Quando un'impurità di atomo di azoto intrappolata nel cristallo si trova adiacente a un sito vuoto, si forma uno speciale difetto atomico:un centro di vacanza di azoto (NV).

Nell'ultima decade, gli scienziati hanno utilizzato i centri NV come minuscoli sensori per misurare il magnetismo di una singola proteina, il campo elettrico di un singolo elettrone, e la temperatura all'interno di una cellula vivente, ha spiegato Norman Yao, scienziato della facoltà nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e assistente professore di fisica all'Università di Berkeley.

Per sfruttare le proprietà di rilevamento intrinseche dei centri NV, Yao e colleghi hanno progettato un sottile strato direttamente all'interno dell'incudine di diamante per scattare un'istantanea della fisica all'interno della camera ad alta pressione.

Stress di imaging all'interno della cellula dell'incudine di diamante

Dopo aver generato uno strato di sensori centrali NV di poche centinaia di atomi di spessore all'interno di diamanti di un decimo di carato, i ricercatori hanno testato la capacità dei sensori NV di misurare la camera ad alta pressione della cella a incudine di diamante.

I sensori emettono una brillante tonalità di rosso quando vengono eccitati dalla luce laser; sondando la luminosità di questa fluorescenza, i ricercatori sono stati in grado di vedere come i sensori hanno risposto a piccoli cambiamenti nel loro ambiente.

Ciò che hanno scoperto li ha sorpresi:i sensori NV hanno suggerito che la superficie un tempo piatta dell'incudine di diamante ha iniziato a curvarsi al centro sotto pressione.

Co-autore Raymond Jeanloz, professore di scienze della terra e planetarie all'Università di Berkeley, e il suo team ha identificato il fenomeno come "coppettatura", una concentrazione della pressione verso il centro delle punte dell'incudine.

"Sapevano di questo effetto da decenni, ma erano abituati a vederlo a 20 volte la pressione, dove puoi vedere la curvatura a occhio, " Yao ha detto. " Sorprendentemente, il nostro sensore a incudine diamantato è stato in grado di rilevare questa piccola curvatura anche alle pressioni più basse."

Ci sono state altre sorprese, pure. Quando una miscela di metanolo/etanolo spremuto ha subito una transizione vetrosa da liquido a solido, la superficie del diamante si trasformò da ciotola liscia in frastagliata, superficie strutturata. Le simulazioni meccaniche eseguite dal coautore Valery Levitas dell'Iowa State University e dall'Ames Laboratory hanno confermato il risultato.

"Questo è un modo fondamentalmente nuovo per misurare le transizioni di fase nei materiali ad alta pressione, e speriamo che questo possa integrare i metodi convenzionali che utilizzano potenti radiazioni a raggi X da una sorgente di sincrotrone, ", ha affermato l'autore principale Satcher Hsieh, un ricercatore di dottorato nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e nel gruppo Yao dell'UC Berkeley.

Gli autori co-conduttori con Hsieh sono il ricercatore studente laureato Prabudhya Bhattacharyya e il ricercatore post-dottorato Chong Zu dello Yao Group presso l'UC Berkeley.

Magnetismo sotto pressione

In un altro esperimento, i ricercatori hanno usato la loro serie di sensori NV per catturare una "istantanea" magnetica di ferro e gadolinio.

Ferro e gadolinio sono metalli magnetici. Gli scienziati sanno da tempo che la compressione di ferro e gadolinio può alterarli da una fase magnetica a una fase non magnetica, un risultato di ciò che gli scienziati chiamano una "transizione di fase indotta dalla pressione". Nel caso del ferro, i ricercatori hanno visualizzato direttamente questa transizione misurando l'esaurimento del campo magnetico generato da una perlina di ferro delle dimensioni di un micron (o un milionesimo di metro) all'interno della camera ad alta pressione.

Nel caso del gadolinio, i ricercatori hanno adottato un approccio diverso. In particolare, gli elettroni all'interno del gadolinio "svolazzano allegramente in direzioni casuali, " e questo caotico "mosh pit" di elettroni genera un campo magnetico fluttuante che il sensore NV può misurare, disse Hsieh.

I ricercatori hanno notato che i sensori del centro NV possono capovolgersi in diversi stati quantistici magnetici in presenza di fluttuazioni magnetiche, proprio come l'ago di una bussola gira in direzioni diverse quando si agita una barra magnetica vicino ad esso.

Quindi hanno ipotizzato che calcolando il tempo impiegato dai centri NV per passare da uno stato magnetico all'altro, potrebbero caratterizzare la fase magnetica del gadolinio misurando il "rumore" magnetico emanato dal movimento degli elettroni del gadolinio.

Hanno scoperto che quando il gadolinio è in una fase non magnetica, i suoi elettroni sono sottomessi, e quindi le sue fluttuazioni del campo magnetico sono deboli. Successivamente, i sensori NV rimangono in un unico stato quantico magnetico per molto tempo, quasi cento microsecondi.

Al contrario, quando il campione di gadolinio è cambiato in una fase magnetica, gli elettroni si muovevano rapidamente, facendo sì che il vicino sensore NV si capovolga rapidamente in un altro stato quantico magnetico.

Questo improvviso cambiamento ha fornito una chiara prova che il gadolinio era entrato in una fase magnetica diversa, Hsieh ha detto, aggiungendo che la loro tecnica ha permesso loro di individuare le proprietà magnetiche attraverso il campione con una precisione inferiore al micron invece della media sull'intera camera ad alta pressione come negli studi precedenti.

I ricercatori sperano che questa tecnica di "spettroscopia del rumore" fornisca agli scienziati un nuovo strumento per esplorare le fasi della materia magnetica che può essere utilizzata come base per piccoli, Più veloce, e modi più economici di archiviare ed elaborare i dati attraverso dispositivi spintronici ultraveloci di nuova generazione.

Prossimi passi

Ora che hanno dimostrato come progettare centri NV in celle a incudine diamantate, i ricercatori hanno in programma di utilizzare il loro dispositivo per esplorare il comportamento magnetico degli idruri superconduttori, materiali che conducono elettricità senza perdite vicino alla temperatura ambiente ad alta pressione, che potrebbe rivoluzionare il modo in cui l'energia viene immagazzinata e trasferita.

E vorrebbero anche esplorare la scienza al di fuori della fisica. "La cosa più eccitante per me è che questo strumento può aiutare così tante diverse comunità scientifiche, " dice Hsieh. "Sono nate collaborazioni con gruppi che vanno dai chimici ad alta pressione ai paleomagnetisti marziani agli scienziati dei materiali quantistici".

Ricercatori del Berkeley Lab; Università di Berkeley; Ludwig-Maximilian-Universität, Germania; Università statale dell'Iowa; Carnegie Institution di Washington, Washington, DC; e il Laboratorio Ames hanno partecipato ai lavori.