Физики из Вашингтонского университета создают квантовые датчики на основе нитрида бора, которые обнаруживают напряжение и магнетизм под сокрушительным давлением.
Схематическое изображение показывает 2D-датчик, зажатый между двумя алмазными наковальнями.
Чонг Цзу/Вашингтонский университет
Мир квантовой физики полон загадок. Но что произойдёт, если этот мир субатомных частиц окажется под колоссальным давлением?
Группа физиков из Вашингтонского университета в Сент-Луисе создала квантовые датчики, способные работать в экстремальных условиях.
Устройства, помещенные внутрь неразрушимых листов кристаллизованного нитрида бора, способны измерять напряжение и магнетизм в материалах, находящихся под давлением, более чем в 30 000 раз превышающим атмосферное.
«Мы первые, кто разработал такой датчик высокого давления», — сказал Чонг Цзу, доцент кафедры физики в факультете искусств и наук и член университетского Центра квантовых скачков.
«Оно может иметь широкий спектр применения в различных областях: от квантовых технологий и материаловедения до астрономии и геологии».
Датчики, созданные из пустот
В работе приняли участие аспиранты, исследователи-постдокторанты и преподаватели.
Частично поддержка была оказана за счет гранта на обучение Национального научного фонда США, который профинансировал шесть месяцев совместной работы в Гарвардском университете.
Группа создала датчики, используя пучки нейтронного излучения. Эти пучки выбивали атомы бора из сверхтонких пластин нитрида бора. Пустые места немедленно захватывали электроны.
Эти электроны, посредством квантовых взаимодействий, меняли свой спин в зависимости от локального магнетизма, напряжения или температуры. Отслеживание спина позволило выявить свойства материала на квантовом уровне.
Группа Зу ранее создала аналогичные датчики в алмазах, которые используются в двух квантовых алмазных микроскопах Вашингтонского университета.
Алмазные датчики эффективны, но имеют ограничения. Поскольку алмазы трёхмерны, их сложно разместить близко к исследуемому материалу.
Листы нитрида бора решают эту проблему. Они чрезвычайно тонкие, менее 100 нанометров в ширину, примерно в 1000 раз тоньше человеческого волоса.
«Поскольку датчики находятся в материале, который по сути является двумерным, расстояние между датчиком и измеряемым материалом составляет менее одного нанометра», — сказал Зу.
Алмазы по-прежнему остаются важнейшими инструментами
Алмазы продолжают играть свою роль. «Чтобы измерять материалы под высоким давлением, нам нужно поместить материал на платформу, которая не разобьётся», — пояснил аспирант Гуанхуэй Хэ.
Группа создала «алмазные наковальни» — небольшие плоские поверхности шириной всего 400 микрометров — для сжатия образцов. «Самый простой способ создать высокое давление — это приложить большую силу к небольшой поверхности», — сказал Хэ.
Испытания подтвердили, что датчики из нитрида бора способны обнаруживать малейшие изменения в магнитном поле двумерного магнита.
Теперь группа планирует испытать другие материалы, включая камни из сред с высоким давлением, таких как ядро Земли.
«Измерение того, как эти породы реагируют на давление, может помочь нам лучше понять землетрясения и другие крупномасштабные события», — сказал Зу.
Датчики также могут пролить свет на явление сверхпроводимости. Известные сверхпроводники требуют высокого давления и экстремально низких температур. Спорные заявления о существовании сверхпроводников при комнатной температуре остаются неразрешенными.
«С помощью такого датчика мы можем собрать необходимые данные, чтобы положить конец спору», — сказал аспирант Руотиан «Реджинальд» Гонг, один из первых авторов.
Цзу отметил, что проект также подчёркивает важность сотрудничества. «Программа поощряет сотрудничество между университетами», — сказал он. «Теперь, когда у нас есть эти датчики, камера высокого давления и алмазные наковальни, у нас появится больше возможностей для исследований».
Результаты могут быть опубликованы в журнале Nature Communications.
Sourse: interestingengineering.com
