Les chercheurs ont récemment découvert que la force du champ magnétique nécessaire pour déclencher un processus de mécanique quantique particulier, telles que la photoluminescence et la capacité de contrôler les états de spin avec des champs électromagnétiques (EM), correspond à la température du matériau. Sur la base de ce constat, les scientifiques peuvent déterminer la température d'un échantillon à une résolution d'un micron cube en mesurant l'intensité du champ auquel cet effet se produit. La détection de la température fait partie intégrante de la plupart des applications industrielles, procédés électroniques et chimiques, une plus grande résolution spatiale pourrait donc profiter aux activités commerciales et scientifiques. L'équipe rend compte de ses conclusions dans Avances AIP .

En diamants, les atomes d'azote peuvent remplacer les atomes de carbone; lorsque cela se produit à côté de lacunes dans le réseau cristallin, il produit des propriétés quantiques utiles. Ces postes vacants peuvent avoir une charge négative ou neutre. Les centres d'inoccupation chargés négativement sont également photoluminescents et produisent une lueur détectable lorsqu'ils sont exposés à certaines longueurs d'onde de lumière. Les chercheurs peuvent utiliser un champ magnétique pour manipuler les spins des électrons dans les lacunes, qui modifie l'intensité de la photoluminescence.

Une équipe de chercheurs russes et allemands a créé un système capable de mesurer les températures et les champs magnétiques à de très petites résolutions. Les scientifiques ont produit des cristaux de carbure de silicium avec des lacunes similaires aux centres de lacunes d'azote dans les diamants. Puis, ils ont exposé le carbure de silicium à une lumière laser infrarouge en présence d'un champ magnétique constant et ont enregistré la photoluminescence résultante.

Des champs magnétiques plus forts facilitent le transfert des électrons dans ces lacunes entre les états de spin énergétiques. À une intensité de champ spécifique, la proportion d'électrons de spin 3/2 change rapidement, dans un processus appelé anticrossing. La luminosité de la photoluminescence dépend de la proportion d'électrons dans divers états de spin, les chercheurs ont ainsi pu évaluer la force du champ magnétique en surveillant le changement de luminosité.

En outre, la luminescence change brusquement lorsque les électrons dans ces lacunes subissent une relaxation croisée, un processus où un système quantique excité partage de l'énergie avec un autre système dans son état fondamental, amenant les deux à un état intermédiaire. La force du champ nécessaire pour induire une relaxation croisée est directement liée à la température du matériau. En variant la force du champ, et l'enregistrement lorsque la photoluminescence a soudainement changé, les scientifiques ont pu calculer la température de la région du cristal à l'étude. L'équipe a été surprise de découvrir que les effets quantiques restaient même à température ambiante.

"Cette étude nous permet de créer des capteurs de température et de champ magnétique dans un seul appareil, " a déclaré Andrey Anisimov, de l'Institut physico-technique de Ioffe de l'Académie des sciences de Russie et l'un des auteurs de l'article. De plus, les capteurs peuvent être miniaturisés à 100 nanomètres, qui permettrait leur utilisation dans l'industrie spatiale, des observations géophysiques et même des systèmes biologiques. "Contrairement au diamant, le carbure de silicium est déjà un matériau semi-conducteur disponible, et des diodes et des transistors en sont déjà fabriqués, " a déclaré Anisimov.