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左圖是天然鉆石由于其不同的氮空位（NV）中心而在紫外線下發光。右側是示意圖，顯示了正在運行的金剛石砧，NV中心位于底部砧。NV傳感器在被激光激發時會發出明亮的紅色陰影。通過探測這種熒光的亮度，研究人員能夠看到傳感器如何響應環境中的細微變化。（圖片來源：姚諾/伯克利實驗室；埃拉·馬魯申科）

自60年前發明以來，金剛石砧座細胞使科學家能夠重現極端現象，例如地球地幔深處的壓碎力，或使僅在強烈壓力下觸發的化學反應全都在您可以安全地握在手中的實驗室儀器的范圍內。

為了開發新的高性能材料，科學家們需要了解有用的特性（如磁性和強度）在如此惡劣的條件下如何變化。但是通常，要以足夠的靈敏度測量這些特性，就需要一個能夠承受金剛石砧座內部壓碎力的傳感器。

自2018年以來，由美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）牽頭的能源前沿研究中心-材料量子相干性新途徑中心（NPQC）的科學家一直在尋求了解電子和電子的特性可以利用光學材料來開發能夠測量電場和磁場的超靈敏傳感器。

現在，由伯克利實驗室和加州大學伯克利分校領導的一組科學家在NPQC的支持下提出了一個聰明的解決方案：通過將鉆石砧內部的自然原子缺陷轉變成微小的量子傳感器，科學家們開發了一種可以打開傳統傳感器無法進行的大量實驗之門。他們的發現發表在《科學》雜志上，對新一代智能設計材料以及通過壓力進行原子微調的新化學化合物的合成具有影響。

將原子缺陷轉化為傳感器

在原子水平上，鉆石的堅固性歸功于四面體晶體結構中結合在一起的碳原子。但是，當鉆石形成時，一些碳原子會從其“晶格部位”被撞出，“晶格部位”是晶體結構中的一個空間，就像它們分配的停車位一樣。當捕獲在晶體中的氮原子雜質靠近空位時，會形成特殊的原子缺陷：氮空位（NV）中心。

伯克利實驗室材料科學系的科學家Norman Yao解釋說，在過去十年中，科學家將NV中心用作微型傳感器來測量單個蛋白質的磁性，單個電子的電場以及活細胞內部的溫度。加州大學伯克利分校物理系助理教授。

為了利用NV中心的固有傳感特性，Yao及其同事在金剛石砧座的內部直接設計了薄薄的一層，以便對高壓室內的物理情況進行快照。

成像金剛石砧座內部的應力

研究人員在十分之一克拉的鉆石中生成了一層厚度為數百個原子的NV中心傳感器之后，研究人員測試了NV傳感器測量金剛石砧室高壓腔的能力。

合著者Satcher Hsieh（左）和Chong Zu調整了成像系統的激光。當被激光激發時，NV中心會發出光子，其光度會通知研究人員他們所感測的當地環境。圖片來源：Marilyn Sargent /伯克利實驗室

當被激光激發時，傳感器發出明亮的紅色陰影。通過探測這種熒光的亮度，研究人員能夠看到傳感器如何響應環境中的細微變化。

他們發現的結果使他們感到驚訝：NV傳感器表明，曾經是平坦的鉆石砧表面在壓力作用下開始在中心彎曲。

加州大學伯克利分校地球和行星科學教授雷蒙德·讓洛茲（Raymond Jeanloz）的合著者和他的團隊將這種現象識別為“凹陷”，即向砧尖中心的壓力集中。

姚說：“他們已經知道這種影響數十年了，但習慣于在20倍的壓力下看到它，在這里您可以通過眼睛看到彎曲。” “值得注意的是，我們的鉆石砧傳感器即使在最低壓力下也能夠檢測到這種微小的彎曲。”

還有其他驚喜。當他們擠壓的甲醇/乙醇混合物經歷從液體到固體的玻璃化轉變時，鉆石表面從光滑的碗變成鋸齒狀，有紋理的表面。愛荷華州立大學的Valery Levitas和Ames實驗室的合著者進行的機械模擬證實了這一結果。

“這是從根本上測量高壓材料中相變的一種新方法，我們希望這可以補充利用同步輻射源產生的強大X射線輻射的傳統方法，”伯克利實驗室（Berkeley Lab）博士研究人員Satcher Hsieh說。加州大學伯克利分校的材料科學部和Yao組的成員。

Hsieh的共同主要作者是加州大學伯克利分校的研究生研究員Prabudhya Bhattacharyya和Yao Group的博士后研究員Chong Zu。

壓力下的磁性

在另一個實驗中，研究人員使用他們的NV傳感器陣列來捕獲鐵和g的磁性“快照”。

鐵和g是磁性金屬。長期以來，科學家一直知道壓縮鐵和can可以將它們從磁性相轉變為非磁性相，這就是科學家所說的“壓力引起的相變”的結果。在鐵的情況下，研究人員通過測量高壓室內的微米大小（或百萬分之一米）的鐵珠產生的磁場的損耗，直接對這種轉變進行了成像。

鉆石砧室。通過在這兩個相對的砧座之間壓縮樣品，可以獲得大于地球中心的壓力。圖片來源：Marilyn Sargent /伯克利實驗室

對于of，研究人員采用了另一種方法。尤其是，said內部的電子“愉快地在隨機方向旋轉”，而這種混亂的電子“霧坑”產生了波動的磁場，NV傳感器可以測量到這種磁場。

研究人員指出，NV中心傳感器在存在磁波動的情況下可以翻轉成不同的磁量子狀態，就像在附近揮動條形磁鐵時指南針朝不同方向旋轉一樣。

因此，他們推測通過計時NV中心從一種磁性狀態轉變到另一種磁性狀態所花費的時間，可以通過測量measuring電子運動產生的磁性“噪聲”來表征g的磁性相。

他們發現，當in處于非磁性相時，its的電子會被制服，因此磁場波動很小。隨后，NV傳感器在單個磁量子狀態中停留了很長的時間-近一百微秒。

相反，當sample樣品變為磁性相時，電子迅速移動，從而使附近的NV傳感器迅速翻轉至另一種磁性量子態。

Hsieh說，這種突然的變化提供了清楚的證據，證明g已經進入了一個不同的磁相，并補充說，他們的技術使他們能夠以亞微米的精度查明整個樣品的磁性能，而不是像以前的研究那樣對整個高壓腔進行平均。

研究人員希望，這種“噪聲光譜”技術將為科學家提供一種新的工具，用于探索磁性物質的各個階段，這些階段可以用作通過下一代超快速自旋電子器件以較小，更快，更便宜的方式存儲和處理數據的基礎。 。

下一步

現在，他們已經展示了如何將NV中心設計到金剛石砧座中，研究人員計劃使用他們的設備來探索超導氫化物的磁性行為。超導氫化物是在高壓下在室溫附近不會損失電的導電材料，這可能會改變能量的使用方式。被存儲和傳輸。

他們還想探索物理學以外的科學。Hsieh說：“對我而言，最令人興奮的是，該工具可以幫助眾多不同的科學界。” “它正在與從高壓化學家到火星古磁性學家到量子材料科學家的小組加強合作。”

伯克利實驗室的研究人員；加州大學伯克利分校 德國路德維希-馬克西米利安大學；愛荷華州立大學；華盛頓哥倫比亞特區卡內基研究所；艾姆斯實驗室參加了這項工作。