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Nov 06, 2023

Il sensore quantistico sopravvive a livello record

Quantum sensors based on microscopic flaws in the crystalline structure of

Secondo una ricerca condotta dai fisici dell’Accademia cinese delle scienze di Pechino, i sensori quantistici basati su difetti microscopici nella struttura cristallina del diamante possono funzionare a pressioni fino a 140 gigapascal. La scoperta stabilisce un record per la pressione operativa dei sensori quantistici basati sui cosiddetti centri di posti vacanti di azoto (NV), e la loro ritrovata durabilità potrebbe apportare benefici agli studi di fisica e geofisica della materia condensata.

I centri NV si verificano quando due atomi di carbonio vicini nel diamante vengono sostituiti da un atomo di azoto e da un sito reticolare vuoto. Agiscono come minuscoli magneti quantistici con spin diversi e, quando eccitati con impulsi laser, il segnale fluorescente che emettono può essere utilizzato per monitorare lievi cambiamenti nelle proprietà magnetiche di un campione di materiale vicino. Questo perché l'intensità del segnale centrale NV emesso cambia con il campo magnetico locale.

Il problema è che tali sensori sono fragili e tendono a non funzionare in condizioni difficili. Ciò rende difficile usarli per studiare l’interno della Terra, dove prevalgono le pressioni gigapascal (GPa), o per studiare materiali come i superconduttori di idruro, che sono fabbricati a pressioni molto elevate.

Nel nuovo lavoro, un team guidato da Gang-Qin Liu del Laboratorio Nazionale di Fisica della Materia Condensata e Istituto di Fisica dell'Accademia Cinese delle Scienze di Pechino, ha iniziato creando una camera microscopica ad alta pressione nota come cella a incudine di diamante in cui posizionare i loro sensori, che consistevano in microdiamanti che contengono un insieme di centri NV. Sensori di questo tipo funzionano grazie a una tecnica chiamata risonanza magnetica rilevata otticamente (ODMR) in cui il campione viene prima eccitato tramite un laser (in questo caso con una lunghezza d'onda di 532 nm) e poi manipolato tramite impulsi di microonde. I ricercatori hanno applicato gli impulsi a microonde utilizzando un sottile filo di platino, resistente alle alte pressioni. Il passo finale è misurare la fluorescenza emessa.

"Nel nostro esperimento, abbiamo prima misurato la fotoluminescenza dei centri NV sotto diverse pressioni", spiega Liu. "Abbiamo osservato una fluorescenza a quasi 100 GPa, un risultato inaspettato che ci ha portato a eseguire successive misurazioni ODMR."

Anche se il risultato è stato una sorta di sorpresa, Liu nota che il reticolo del diamante è molto stabile e non subisce alcuna transizione di fase, anche a pressioni di 100 GPa (1 Mbar, o quasi 1 milione di volte la pressione atmosferica terrestre al livello del mare). E mentre pressioni così elevate modificano i livelli energetici e le proprietà ottiche dei centri NV, il tasso di modifica rallenta a pressioni più elevate, consentendo alla fluorescenza di persistere. Anche così, dice a Physics World che "non è stato un compito facile" ottenere spettri ODMR a pressioni Mbar.

"Ci sono molte sfide tecniche che dobbiamo superare", afferma. "Uno in particolare è che le alte pressioni diminuiscono il segnale di fluorescenza NV e portano una maggiore fluorescenza di fondo."

I ricercatori hanno superato questi problemi utilizzando un ampio insieme di centri NV (~5 × 105 in un singolo microdiamante) e ottimizzando l’efficienza di raccolta della luce del loro sistema sperimentale. Ma le loro preoccupazioni non finivano qui. Dovevano inoltre evitare un ampio gradiente di pressione sul sensore, poiché qualsiasi disomogeneità nella distribuzione della pressione avrebbe ampliato gli spettri OMDR e degradato il contrasto del segnale.

"Per affrontare questa sfida, abbiamo scelto il bromuro di potassio (KBr) come mezzo di pressione e limitato il volume di rilevamento a circa 1 um3", afferma Liu. "Siamo stati in grado di ottenere l'ODMR dei centri NV a quasi 140 GPa utilizzando questo approccio."

La pressione massima potrebbe essere ancora più alta, aggiunge, poiché le modifiche dei livelli energetici indotte dalla pressione nei centri NV si sono rivelate inferiori al previsto. "La sfida chiave per raggiungere questo obiettivo è produrre alte pressioni con gradiente di pressione piccolo o nullo", afferma Liu. "Ciò potrebbe essere possibile utilizzando il gas nobile come mezzo di trasmissione della pressione."

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