Desde sua invenção, há mais de 60 anos, as células da bigorna de diamante tornaram possível aos cientistas recriar fenômenos extremos - como as pressões esmagadoras nas profundezas do manto da Terra - ou permitir reações químicas que só podem ser desencadeadas por pressão intensa, tudo dentro dos limites de um aparelho de laboratório que você pode segurar com segurança na palma da sua mão.

Para desenvolver novos, materiais de alto desempenho, os cientistas precisam entender como propriedades úteis, como magnetismo e força, mudar sob tais condições adversas. Mas frequentemente, medir essas propriedades com sensibilidade suficiente requer um sensor que possa suportar as forças de esmagamento dentro de uma célula de bigorna de diamante.

Desde 2018, cientistas do Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC), um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia liderado pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab), procuraram entender como as propriedades de materiais eletrônicos e ópticos podem ser aproveitadas para desenvolver sensores ultrassensíveis capazes de medir campos elétricos e magnéticos.

Agora, uma equipe de cientistas liderada por Berkeley Lab e UC Berkeley, com o apoio do NPQC, descobriram uma solução inteligente:transformando as falhas atômicas naturais dentro das bigornas de diamante em minúsculos sensores quânticos, os cientistas desenvolveram uma ferramenta que abre as portas para uma ampla gama de experimentos inacessíveis aos sensores convencionais. Suas descobertas, que foram relatados no jornal Ciência , têm implicações para uma nova geração de smart, materiais de design, bem como a síntese de novos compostos químicos, atomicamente ajustado por pressão.

Transformando falhas atômicas em sensores

No nível atômico, os diamantes devem sua robustez aos átomos de carbono unidos em uma estrutura de cristal tetraédrica. Mas quando os diamantes se formam, alguns átomos de carbono podem ser expulsos de seu "sítio de rede, "um espaço na estrutura do cristal que é como sua vaga de estacionamento designada. Quando uma impureza de átomo de nitrogênio presa no cristal fica adjacente a um local vazio, um defeito atômico especial se forma:um centro de vacância de nitrogênio (NV).

Na última década, os cientistas usaram centros NV como sensores minúsculos para medir o magnetismo de uma única proteína, o campo elétrico de um único elétron, e a temperatura dentro de uma célula viva, explicou Norman Yao, cientista do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório de Berkeley e professor assistente de física da UC Berkeley.

Para aproveitar as propriedades de detecção intrínsecas dos centros NV, Yao e seus colegas projetaram uma fina camada deles diretamente dentro da bigorna de diamante para tirar um instantâneo da física dentro da câmara de alta pressão.

Tensão de imagem dentro da célula da bigorna de diamante

Depois de gerar uma camada de sensores centrais NV com algumas centenas de átomos de espessura dentro de diamantes de um décimo quilate, os pesquisadores testaram a capacidade dos sensores NV de medir a câmara de alta pressão da célula da bigorna de diamante.

Os sensores brilham em um tom brilhante de vermelho quando excitados com luz laser; sondando o brilho desta fluorescência, os pesquisadores foram capazes de ver como os sensores responderam a pequenas mudanças em seu ambiente.

O que eles descobriram os surpreendeu:os sensores NV sugeriram que a superfície outrora plana da bigorna de diamante começou a se curvar no centro sob pressão.

Co-autor Raymond Jeanloz, professor de ciências terrestres e planetárias na UC Berkeley, e sua equipe identificou o fenômeno como "escavação" - uma concentração da pressão em direção ao centro das pontas da bigorna.

"Eles sabiam desse efeito há décadas, mas estavam acostumados a vê-lo com pressão 20 vezes maior, onde você pode ver a curvatura a olho, "Yao disse." Notavelmente, nosso sensor de bigorna de diamante foi capaz de detectar essa pequena curvatura até mesmo nas pressões mais baixas. "

Houve outras surpresas, também. Quando uma mistura de metanol / etanol que eles espremeram sofreu uma transição vítrea de um líquido para um sólido, a superfície do diamante passou de uma tigela lisa para uma irregular, superfície texturizada. Simulações mecânicas realizadas pela co-autora Valery Levitas, da Iowa State University e do Ames Laboratory, confirmaram o resultado.

"Esta é uma maneira fundamentalmente nova de medir as transições de fase em materiais em alta pressão, e esperamos que isso possa complementar os métodos convencionais que utilizam a poderosa radiação de raios-X de uma fonte síncrotron, "disse o autor principal Satcher Hsieh, um pesquisador de doutorado na Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório de Berkeley e no Grupo Yao da UC Berkeley.

Os co-autores principais com Hsieh são a pesquisadora de pós-graduação Prabudhya Bhattacharyya e a pesquisadora de pós-doutorado Chong Zu do Grupo Yao da UC Berkeley.

Magnetismo sob pressão

Em outro experimento, os pesquisadores usaram sua matriz de sensores NV para capturar um "instantâneo" magnético de ferro e gadolínio.

Ferro e gadolínio são metais magnéticos. Os cientistas sabem há muito tempo que a compressão de ferro e gadolínio pode alterá-los de uma fase magnética para uma fase não magnética, um resultado do que os cientistas chamam de "transição de fase induzida por pressão". No caso do ferro, os pesquisadores registraram diretamente essa transição medindo o esgotamento do campo magnético gerado por um grânulo de ferro do tamanho de um mícron (ou um milionésimo de um metro) dentro da câmara de alta pressão.

No caso do gadolínio, os pesquisadores adotaram uma abordagem diferente. Em particular, os elétrons dentro do gadolínio "giram alegremente em direções aleatórias, "e este" mosh pit "caótico de elétrons gera um campo magnético flutuante que o sensor NV pode medir, Hsieh disse.

Os pesquisadores notaram que os sensores centrais NV podem se transformar em diferentes estados quânticos magnéticos na presença de flutuações magnéticas, muito parecido com a forma como a agulha de uma bússola gira em diferentes direções quando você move uma barra magnética perto dela.

Então, eles postularam que cronometrando quanto tempo levou para os centros NV mudarem de um estado magnético para outro, eles poderiam caracterizar a fase magnética do gadolínio medindo o "ruído" magnético que emana do movimento dos elétrons do gadolínio.

Eles descobriram que quando o gadolínio está em uma fase não magnética, seus elétrons estão subjugados, e suas flutuações de campo magnético, portanto, são fracas. Subseqüentemente, os sensores NV permanecem em um único estado quântico magnético por um longo tempo - quase cem microssegundos.

Por outro lado, quando a amostra de gadolínio mudou para uma fase magnética, os elétrons se moviam rapidamente, fazendo com que o sensor NV próximo mude rapidamente para outro estado quântico magnético.

Esta mudança repentina forneceu evidências claras de que o gadolínio havia entrado em uma fase magnética diferente, Hsieh disse, acrescentando que sua técnica lhes permitiu localizar propriedades magnéticas em toda a amostra com precisão submicron, em oposição à média de toda a câmara de alta pressão como em estudos anteriores.

Os pesquisadores esperam que esta técnica de "espectroscopia de ruído" forneça aos cientistas uma nova ferramenta para explorar as fases da matéria magnética que pode ser usada como base para menores, mais rápido, e maneiras mais baratas de armazenar e processar dados por meio de dispositivos spintrônicos ultrarrápidos de próxima geração.

Próximos passos

Agora que eles demonstraram como projetar centros NV em células de bigorna de diamante, os pesquisadores planejam usar seu dispositivo para explorar o comportamento magnético de hidretos supercondutores - materiais que conduzem eletricidade sem perda perto da temperatura ambiente em alta pressão, o que pode revolucionar a forma como a energia é armazenada e transferida.

E eles também gostariam de explorar a ciência fora da física. "O que é mais empolgante para mim é que esta ferramenta pode ajudar tantas comunidades científicas diferentes, "diz Hsieh." Surgiram colaborações com grupos que vão desde químicos de alta pressão a paleomagnetistas marcianos e cientistas de materiais quânticos. "

Pesquisadores do Berkeley Lab; UC Berkeley; Ludwig-Maximilian-Universität, Alemanha; Iowa State University; Carnegie Institution of Washington, Washington, D.C .; e o Laboratório Ames participaram do trabalho.