Sensores Quânticos Revelam Transformações de Materiais Sob Pressão Extrema

Células de bigorna de diamante tornaram possível para cientistas recriar fenômenos extremos, como as pressões esmagadoras no manto profundo da Terra, ou permitir reações químicas que só podem ser desencadeadas por pressão intensa, tudo dentro dos limites de um aparelho de laboratório. Para desenvolver novos materiais de alto desempenho, cientistas precisam entender como propriedades úteis, como magnetismo e resistência, mudam sob tais condições adversas. Mas muitas vezes, medir essas propriedades com sensibilidade suficiente requer um sensor que possa suportar as forças esmagadoras dentro de uma célula de bigorna de diamante. Ao transformar falhas atômicas naturais dentro das bigornas de diamante em minúsculos sensores quânticos, cientistas desenvolveram uma ferramenta que abre a porta para uma ampla gama de experimentos inacessíveis a sensores convencionais.

No nível atômico, diamantes devem sua robustez a átomos de carbono ligados juntos em uma estrutura cristalina tetraédrica. Mas quando diamantes se formam, alguns átomos de carbono podem ser empurrados para fora de seu “sítio de rede”, um espaço na estrutura cristalina que é como sua vaga de estacionamento designada. Quando um átomo de nitrogênio impuro preso no cristal fica adjacente a um sítio vazio, um defeito atômico especial se forma: um centro de nitrogênio-vacância (NV). Cientistas usaram centros NV como minúsculos sensores para medir o magnetismo de uma única proteína, o campo elétrico de um único elétron e a temperatura dentro de uma célula viva.

Para aproveitar as propriedades de detecção intrínsecas dos centros NV, pesquisadores engenharam uma camada fina deles diretamente dentro da bigorna de diamante para tirar um instantâneo da física dentro da câmara de alta pressão. Após gerar uma camada de sensores de centro NV com alguns centenas de átomos de espessura dentro de diamantes de um décimo de quilate, os pesquisadores testaram a capacidade dos sensores NV de medir a câmara de alta pressão da célula de bigorna de diamante.

Os sensores brilham em um tom vermelho brilhante quando excitados com luz laser. Ao sondar o brilho desta fluorescência, os pesquisadores foram capazes de ver como os sensores respondiam a pequenas mudanças em seu ambiente. Os sensores NV sugeriram que a superfície uma vez plana da bigorna de diamante começou a curvar no centro sob pressão — um fenômeno chamado “encovamento”, uma concentração da pressão em direção ao centro das pontas da bigorna.

Agora que demonstraram como engenhar centros NV em células de bigorna de diamante, os pesquisadores planejam usar o dispositivo para explorar o comportamento magnético de supercondutores hidretos — materiais que conduzem eletricidade sem perdas perto da temperatura ambiente sob alta pressão, o que poderia revolucionar como a energia é armazenada e transferida.