I ricercatori hanno scoperto di recente che la forza del campo magnetico necessaria per suscitare un particolare processo quantomeccanico, come la fotoluminescenza e la capacità di controllare gli stati di spin con campi elettromagnetici (EM), corrisponde alla temperatura del materiale. Sulla base di questa constatazione, gli scienziati possono determinare la temperatura di un campione con una risoluzione di un micron cubo misurando l'intensità del campo alla quale si verifica questo effetto. Il rilevamento della temperatura è parte integrante della maggior parte delle applicazioni industriali, processi elettronici e chimici, quindi una maggiore risoluzione spaziale potrebbe avvantaggiare le attività commerciali e scientifiche. Il team riporta i loro risultati in I progressi dell'AIP .

Nei diamanti, gli atomi di azoto possono sostituire gli atomi di carbonio; quando questo si verifica accanto a posti vacanti nel reticolo cristallino, produce utili proprietà quantistiche. Questi posti vacanti possono avere una carica negativa o neutra. I centri vacanti caricati negativamente sono anche fotoluminescenti e producono un bagliore rilevabile quando esposti a determinate lunghezze d'onda della luce. I ricercatori possono utilizzare un campo magnetico per manipolare gli spin degli elettroni nei posti vacanti, che altera l'intensità della fotoluminescenza.

Un team di ricercatori russi e tedeschi ha creato un sistema in grado di misurare temperature e campi magnetici a risoluzioni molto ridotte. Gli scienziati hanno prodotto cristalli di carburo di silicio con posti vacanti simili ai centri di posti vacanti di azoto nei diamanti. Quindi, hanno esposto il carburo di silicio alla luce laser infrarossa in presenza di un campo magnetico costante e hanno registrato la fotoluminescenza risultante.

Campi magnetici più forti rendono più facile per gli elettroni in questi posti vacanti il ​​trasferimento tra gli stati di spin di energia. Ad una specifica intensità di campo, la proporzione di elettroni con spin 3/2 cambia rapidamente, in un processo chiamato anticrossing. La luminosità della fotoluminescenza dipende dalla proporzione di elettroni nei vari stati di spin, così i ricercatori hanno potuto misurare la forza del campo magnetico monitorando il cambiamento di luminosità.

Inoltre, la luminescenza cambia bruscamente quando gli elettroni in queste vacanze subiscono un rilassamento incrociato, un processo in cui un sistema quantistico eccitato condivide energia con un altro sistema nel suo stato fondamentale, portando entrambi ad uno stato intermedio. L'intensità del campo necessaria per indurre il rilassamento incrociato è direttamente legata alla temperatura del materiale. Variando la forza del campo, e registrando quando la fotoluminescenza cambia improvvisamente, gli scienziati hanno potuto calcolare la temperatura della regione del cristallo in esame. Il team è stato sorpreso di scoprire che gli effetti quantistici sono rimasti anche a temperatura ambiente.

"Questo studio ci consente di creare sensori di temperatura e campo magnetico in un unico dispositivo, " ha detto Andrej Anisimov, dell'Istituto tecnico-fisico Ioffe dell'Accademia delle scienze russa e uno degli autori dell'articolo. Inoltre, i sensori possono essere miniaturizzati a 100 nanometri, che ne consentirebbe l'uso nell'industria spaziale, osservazioni geofisiche e persino sistemi biologici. "In contrasto con il diamante, il carburo di silicio è già un materiale semiconduttore disponibile, e diodi e transistor sono già fatti da esso, " ha detto Anisimov.