Depuis leur invention il y a plus de 60 ans, les cellules à enclume de diamant ont permis aux scientifiques de recréer des phénomènes extrêmes - tels que les pressions écrasantes au plus profond du manteau terrestre - ou de permettre des réactions chimiques qui ne peuvent être déclenchées que par une pression intense, le tout dans les limites d'un appareil de laboratoire que vous pouvez tenir en toute sécurité dans la paume de votre main.

Pour développer de nouveaux, matériaux performants, les scientifiques doivent comprendre à quel point les propriétés utiles, comme le magnétisme et la force, changer dans des conditions aussi difficiles. Mais souvent, mesurer ces propriétés avec une sensibilité suffisante nécessite un capteur capable de résister aux forces d'écrasement à l'intérieur d'une cellule à enclume de diamant.

Depuis 2018, des scientifiques du Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC), un centre de recherche Energy Frontier dirigé par le Lawrence Berkeley National Laboratory du département américain de l'Énergie (Berkeley Lab), ont cherché à comprendre comment les propriétés des matériaux électroniques et optiques peuvent être exploitées pour développer des capteurs ultrasensibles capables de mesurer les champs électriques et magnétiques.

Maintenant, une équipe de scientifiques dirigée par Berkeley Lab et UC Berkeley, avec le soutien du NPQC, ont trouvé une solution intelligente :en transformant les défauts atomiques naturels à l'intérieur des enclumes de diamant en minuscules capteurs quantiques, les scientifiques ont développé un outil qui ouvre la porte à un large éventail d'expériences inaccessibles aux capteurs conventionnels. Leurs découvertes, qui ont été rapportés dans le journal Science , ont des implications pour une nouvelle génération de smart, matériaux de créateurs, ainsi que la synthèse de nouveaux composés chimiques, atomiquement affiné par pression.

Transformer les failles atomiques en capteurs

Au niveau atomique, les diamants doivent leur robustesse aux atomes de carbone liés entre eux dans une structure cristalline tétraédrique. Mais quand les diamants se forment, certains atomes de carbone peuvent être éjectés de leur "site de réseau, " un espace dans la structure cristalline qui est comme leur place de stationnement assignée. Quand une impureté d'atome d'azote piégée dans le cristal se trouve à côté d'un site vide, un défaut atomique spécial se forme :un centre de vacance d'azote (NV).

Au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont utilisé des centres NV comme de minuscules capteurs pour mesurer le magnétisme d'une seule protéine, le champ électrique d'un seul électron, et la température à l'intérieur d'une cellule vivante, a expliqué Norman Yao, chercheur universitaire à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur adjoint de physique à l'UC Berkeley.

Pour profiter des propriétés intrinsèques de détection des centres NV, Yao et ses collègues en ont conçu une fine couche directement à l'intérieur de l'enclume en diamant afin de prendre un instantané de la physique dans la chambre à haute pression.

Stress d'imagerie à l'intérieur de la cellule de l'enclume en diamant

Après avoir généré une couche de capteurs centraux NV de quelques centaines d'atomes d'épaisseur à l'intérieur de diamants d'un dixième de carat, les chercheurs ont testé la capacité des capteurs NV à mesurer la chambre haute pression de la cellule à enclume de diamant.

Les capteurs brillent d'une teinte rouge brillante lorsqu'ils sont excités par la lumière laser; en sondant la luminosité de cette fluorescence, les chercheurs ont pu voir comment les capteurs réagissaient à de petits changements dans leur environnement.

Ce qu'ils ont trouvé les a surpris :les capteurs NV ont suggéré que la surface autrefois plate de l'enclume en diamant a commencé à se courber au centre sous la pression.

Co-auteur Raymond Jeanloz, professeur de sciences de la Terre et des planètes à l'UC Berkeley, et son équipe a identifié le phénomène comme une « ventouse », une concentration de la pression vers le centre des pointes de l'enclume.

"Ils connaissaient cet effet depuis des décennies mais étaient habitués à le voir à 20 fois la pression, où vous pouvez voir la courbure à l'œil, " dit Yao. " Remarquablement, notre capteur d'enclume en diamant a été capable de détecter cette petite courbure même aux pressions les plus basses."

Il y a eu d'autres surprises, trop. Lorsqu'un mélange méthanol/éthanol qu'ils ont pressé a subi une transition vitreuse d'un liquide à un solide, la surface du diamant est passée d'un bol lisse à un déchiqueté, surface texturée. Des simulations mécaniques réalisées par le co-auteur Valery Levitas de l'Iowa State University et du Ames Laboratory ont confirmé le résultat.

« C'est une façon fondamentalement nouvelle de mesurer les transitions de phase dans les matériaux à haute pression, et nous espérons que cela pourra compléter les méthodes conventionnelles qui utilisent un puissant rayonnement X d'une source synchrotron, " a déclaré l'auteur principal Satcher Hsieh, doctorant à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et dans le groupe Yao à l'UC Berkeley.

Les co-auteurs principaux avec Hsieh sont le chercheur étudiant diplômé Prabudhya Bhattacharyya et le chercheur postdoctoral Chong Zu du groupe Yao à l'UC Berkeley.

Magnétisme sous pression

Dans une autre expérience, les chercheurs ont utilisé leur réseau de capteurs NV pour capturer un « instantané » magnétique de fer et de gadolinium.

Le fer et le gadolinium sont des métaux magnétiques. Les scientifiques savent depuis longtemps que la compression du fer et du gadolinium peut les faire passer d'une phase magnétique à une phase non magnétique, un résultat de ce que les scientifiques appellent une « transition de phase induite par la pression ». Dans le cas du fer, les chercheurs ont directement imagé cette transition en mesurant l'épuisement du champ magnétique généré par une bille de fer de la taille d'un micron (ou un millionième de mètre) à l'intérieur de la chambre haute pression.

Dans le cas du gadolinium, les chercheurs ont adopté une approche différente. En particulier, les électrons à l'intérieur du gadolinium "volent joyeusement dans des directions aléatoires, " et ce "mosh pit" chaotique d'électrons génère un champ magnétique fluctuant que le capteur NV peut mesurer, dit Hsieh.

Les chercheurs ont noté que les capteurs centraux NV peuvent basculer dans différents états quantiques magnétiques en présence de fluctuations magnétiques, un peu comme la façon dont une aiguille de boussole tourne dans différentes directions lorsque vous agitez une barre aimantée à proximité.

Ils ont donc postulé qu'en chronométrant le temps qu'il a fallu aux centres NV pour passer d'un état magnétique à un autre, ils pourraient caractériser la phase magnétique du gadolinium en mesurant le "bruit" magnétique émanant du mouvement des électrons du gadolinium.

Ils ont découvert que lorsque le gadolinium est dans une phase non magnétique, ses électrons sont maîtrisés, et ses fluctuations de champ magnétique sont donc faibles. Ensuite, les capteurs NV restent dans un seul état quantique magnétique pendant un long moment, près d'une centaine de microsecondes.

Inversement, lorsque l'échantillon de gadolinium est passé à une phase magnétique, les électrons se sont déplacés rapidement, provoquant le basculement rapide du capteur NV voisin vers un autre état quantique magnétique.

Ce changement soudain a clairement prouvé que le gadolinium était entré dans une phase magnétique différente, Hsieh a dit, ajoutant que leur technique leur a permis d'identifier les propriétés magnétiques à travers l'échantillon avec une précision submicronique, par opposition à une moyenne sur l'ensemble de la chambre à haute pression comme dans les études précédentes.

Les chercheurs espèrent que cette technique de « spectroscopie du bruit » fournira aux scientifiques un nouvel outil pour explorer les phases de la matière magnétique pouvant servir de base à de plus petites, plus rapide, et des moyens moins coûteux de stocker et de traiter les données grâce à des dispositifs spintroniques ultrarapides de nouvelle génération.

Prochaines étapes

Maintenant qu'ils ont démontré comment transformer des centres NV en cellules à enclume de diamant, les chercheurs prévoient d'utiliser leur appareil pour explorer le comportement magnétique des hydrures supraconducteurs, des matériaux qui conduisent l'électricité sans perte près de la température ambiante à haute pression, qui pourrait révolutionner la façon dont l'énergie est stockée et transférée.

Et ils aimeraient aussi explorer la science en dehors de la physique. "Ce qui est le plus excitant pour moi, c'est que cet outil peut aider tant de communautés scientifiques différentes, ", dit Hsieh. "Cela a vu naître des collaborations avec des groupes allant des chimistes à haute pression aux paléomagnétistes martiens en passant par les scientifiques des matériaux quantiques."

Chercheurs du Berkeley Lab; UC Berkeley; Ludwig-Maximilian-Universität, Allemagne; Université d'État de l'Iowa; Institution Carnegie de Washington, Washington, D.C. ; et le laboratoire Ames ont participé aux travaux.