Калифорнийский университет в Беркли, физик Дмитрий Будкер и его коллеги из Университета Бен-Гуриона в Негеве в Израиле и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе показали, что эти алмазные датчики могут измерять крошечные магнитные поля в высокотемпературных сверхпроводниках, предоставляя новый инструмент для их исследования. Шумные, но плохо изученные материалы.«Алмазные сенсоры дадут нам измерения, которые будут полезны для понимания физики высокотемпературных сверхпроводников, которые, несмотря на то, что их первооткрыватели получили Нобелевскую премию 1987 года, до сих пор не поняты», — сказал Будкер, профессор физики и научный сотрудник. в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.Высокотемпературные сверхпроводники — это экзотические смеси материалов, таких как иттрий или висмут, которые при охлаждении примерно до 180 градусов по Фаренгейту выше абсолютного нуля (-280ºF) теряют всякое сопротивление электричеству, тогда как низкотемпературные сверхпроводники необходимо охлаждать до нескольких градусов выше абсолютного нуля. . Обнаруженные 28 лет назад, ученые предсказали, что вскоре у нас появятся сверхпроводники при комнатной температуре для передачи электроэнергии без потерь или поезда на магнитной левитации.
Это никогда не происходило.«Новый зонд может пролить свет на высокотемпературные сверхпроводники и помочь теоретикам решить этот открытый вопрос», — сказал соавтор Рон Фолман из Университета Бен-Гуриона в Негеве, который в настоящее время является приглашенным профессором Миллера в Калифорнийском университете в Беркли. «С помощью этого нового датчика мы сможем сделать шаг вперед».Будкер, Фолман и их коллеги сообщают о своем успехе в статье, опубликованной 18 февраля в журнале Physical Review B.Неудовлетворительно, но красочно
Цветные бриллианты, от желтых и оранжевых до пурпурных, ценились на протяжении тысячелетий. Их цвет обусловлен дефектами углеродной структуры драгоценного камня: некоторые атомы углерода были заменены элементом, например бором, который излучает или поглощает свет определенного цвета.Когда ученые узнали, как создавать синтетические алмазы, они обнаружили, что могут выборочно изменять оптические свойства алмаза, вводя примеси.
В этом эксперименте Будкер, Фолман и их коллеги бомбардировали синтетический алмаз атомами азота, чтобы выбить атомы углерода, оставив дыры в одних местах и атомы азота в других. Затем они нагревали кристалл, чтобы заставить дырки, называемые вакансиями, перемещаться и образовывать пары с атомами азота, в результате чего образовывались алмазы с так называемыми центрами вакансий азота. Для отрицательно заряженных центров количество света, которое они повторно излучают при возбуждении светом, становится очень чувствительным к магнитным полям, что позволяет использовать их в качестве датчиков, считываемых с помощью лазерной спектроскопии.
Фолман отметил, что центры окраски в алмазах обладают уникальным свойством проявлять квантовое поведение, тогда как большинство других твердых тел при комнатной температуре — нет.«Это довольно удивительно, и это одна из причин того, что эти новые датчики обладают таким высоким потенциалом», — сказал Фолман.Применения в национальной безопасности?
Технологические провидцы думают об использовании центров вакансий азота для исследования трещин в металлах, таких как конструкции мостов или лопасти реактивных двигателей, для приложений внутренней безопасности, в качестве чувствительных датчиков вращения и, возможно, даже в качестве строительных блоков для квантовых компьютеров.Будкер, который работает над чувствительными детекторами магнитного поля, и Фолман, который создает «атомные чипы» для исследования и манипулирования атомами, в своей работе сосредоточили свое внимание на использовании этих магнитометров для изучения новых материалов.«Эти алмазные сенсоры сочетают в себе высокую чувствительность с потенциалом высокого пространственного разрешения, и, поскольку они работают при более высоких температурах, чем их конкуренты — сверхпроводящее устройство квантовой интерференции или СКВИД, магнитометры — они оказываются хорошими для изучения высокотемпературных сверхпроводников, "- сказал Будкер. «Хотя уже существует несколько методов магнитного исследования сверхпроводящих материалов, существует потребность в новых методах, которые обеспечат лучшие характеристики».Команда использовала свой алмазный датчик для измерения свойств тонкого слоя оксида иттрия-бария-меди (YBCO), одного из двух самых популярных типов высокотемпературных сверхпроводников.
Группа Бен-Гуриона объединила алмазный датчик со сверхпроводником на одном кристалле и использовала его для обнаружения перехода от нормальной проводимости к сверхпроводимости, когда материал вытесняет все магнитные поля. Датчик также обнаружил крошечные магнитные вихри, которые появляются и исчезают по мере того, как материал становится сверхпроводящим, и могут быть ключом к пониманию того, как эти материалы становятся сверхпроводящими при высоких температурах.«Теперь, когда мы доказали, что можно исследовать высокотемпературные сверхпроводники, мы планируем построить на чипе более чувствительные датчики с более высоким разрешением для изучения структуры отдельного магнитного вихря», — сказал Фолман. «Мы надеемся открыть для себя что-то новое, чего нельзя увидеть с помощью других технологий».
Исследователи, в том числе Будкер и Фолман, пытаются разгадать другие загадки с помощью магнитного зондирования. Например, они исследуют сети нервных клеток, обнаруживая магнитное поле, излучаемое каждым импульсом нервной клетки.
В другом проекте они нацелены на обнаружение странных, никогда ранее не наблюдавшихся сущностей, называемых аксионами, посредством их воздействия на магнитные датчики.Соавторы: Амир Ваксман, Йехезкель Шлуссель и Дэвид Гросвассер из Университета Бен-Гуриона в Негеве, доктор философии Калифорнийского университета в Беркли. выпускник Виктор Акоста, который сейчас работает в Google [x] в Маунтин-Вью, Калифорния, и бывший постдок Калифорнийского университета в Беркли Луи Бушар, ныне доцент кафедры химии и биохимии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
Работа была поддержана программой НАТО «Наука во имя мира», программой AFOSR / DARPA QuASAR, Национальным научным фондом и Институтом фундаментальных исследований в области науки Калифорнийского университета в Беркли.