(Science Codex) - Цветные бриллианты с дефектами являются самыми чувствительными из всех известных на сегодня детекторов магнитных полей и позволяют физикам исследовать очень слабые магнитные поля в металлах, материалах с высокой температурой плавления и даже в человеческой ткани.
В Калифорнийском университете в Беркли физик Дмитрий Будкер (Dmitry Budker) со своими коллегами из Университета Бен-Гуриона в Негеве, Израиль, и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сейчас показали, что эти алмазные датчики позволяют измерять очень слабые магнитные поля в высокотемпературных сверхпроводниках, являясь новым средством для исследования этих широко разрекламированных, но плохо изученных материалов.
«Алмазные датчики позволят нам проводить измерения, которые могут быть полезны для понимания физики высокотемпературных сверхпроводников, которые, несмотря на тот факт, что их открыватели получили Нобелевскую премию 1987 года, до сих пор не изучены», - сказал Будкер, профессор физики и ученый из числа профессорско-преподавательского состава Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory).
Высокотемпературные сверхпроводники являются экзотической смесью таких материалов, как иттрий или висмут, которые при охлаждении примерно до 180 градусов Фаренгейта выше абсолютного нуля (-280ºF) теряют все свое сопротивление электричеству, в то время как низкотемпературные сверхпроводники должны охлаждаться до нескольких градусов выше абсолютного нуля. Когда 28 лет назад было сделано открытие, ученые предсказывали, что скоро у нас будут сверхпроводники комнатной температуры для передачи электричества без потерь или для поездов на магнитной подушке.
Но этого не произошло.
«Это новое исследование может пролить свет на высокотемпературные сверхпроводники и помочь теоретикам решить этот открытый вопрос, – сказал соавтор Рон Фольман (Ron Folman) из Университета Бен-Гуриона в Негеве, который в настоящее время является приглашенным профессором в Калифорнийском университете в Беркли из Миллеровского института фундаментальных исследований. – С помощью этого нового датчика мы сможем сделать шаг вперед».
Будкер, Фольман и их коллеги сообщают о своем успехе в статье, опубликованной онлайн 18 февраля в журнале Physical Review B.
С изъяном, но яркие и цветные
Красивые цветные бриллианты – от желтого и оранжевого цвета до пурпурного – ценились многие тысячи лет. Их цвет объяснялся дефектами в углеродной структуре драгоценного камня: некоторые из атомов углерода замещены другим элементом, например, бором, который испускает или поглощает специфическую окраску света.
Как только ученые научились создавать синтетические бриллианты, они обнаружили, что могут избирательно изменять оптические свойства бриллианта, вводя загрязнения. Будкер и Фольман со своими коллегами бомбардировали синтетический бриллиант атомами азота для вытеснения атомов углерода, оставляя пустоты в одних местах и атомы азота в других. Затем они нагревали кристалл для того, чтобы заставить пустоты, называемые вакансиями, двигаться повсюду и соединяться с атомами азота, образуя бриллианты с так называемыми азотно-замещенными вакансиями. Для отрицательно заряженных вакансий, количество света, которое они переизлучают при возбуждении светом, становится очень чувствительным к воздействию магнитных полей, что позволяет использовать их в качестве датчиков, которые считываются с помощью лазерной спектроскопии.
Фольман отметил, что центры окраски в бриллиантах обладают уникальным свойством проявлять квантовое поведение, в то время как большинство других твердых тел не обладают им при комнатной температуре.
«Это довольно удивительно и отчасти является причиной того, что эти новые датчики имеют такой высокий потенциал», - сказал Фольман.
Применение в области национальной безопасности?
Дальновидные разработчики технологии думают об использовании азотно-замещенных вакансий для выявления трещин в металлах, например, в конструкциях мостов или лопастях реактивных двигателей, а также с целью обеспечения национальной безопасности в качестве чувствительных датчиков вращения и, возможно, даже в качестве составных блоков для квантовых компьютеров. Будкер, работающий над чувствительными детекторами магнитного поля, и Фольман, создающий «атомарные чипы» для исследования и управления атомами, сосредоточились на этой работе по использованию данных магнитометров для изучения новых материалов.
«Эти алмазные датчики сочетают в себе высокую чувствительность с высоким потенциалом большого пространственного разрешения, и поскольку они работают при более высоких температурах, чем их конкуренты - сверхпроводящие квантовые интерференционные датчики, или СКВИДы (superconducting quantum interference device, SQUID), - то они хорошо подходят для изучения высокотемпературных сверхпроводников, - сказал Будкер. – Хотя уже существует несколько методов для магнитного исследования сверхпроводящих материалов, все же существует потребность в новых методах, обеспечивающих более высокую точность определений».
Эта группа использовала свои алмазные датчики для определения свойств тонкого слоя оксида иттрия-бария-меди, одного из двух самых распространенных видов высокотемпературных сверхпроводников. Группа из Университета Бен-Гуриона интегрировала этот алмазный датчик со сверхпроводником в одном чипе и использовала его для обнаружения перехода от обычной проводимости к сверхпроводимости, когда материал теряет все магнитные свойства. Этот датчик также способен регистрировать мельчайшие магнитные вихри, появляющиеся и исчезающие во время превращения материала в сверхпроводник, и может стать ключом для понимания того, как эти материалы становятся сверхпроводящими при высоких температурах.
«Сейчас, когда мы доказали возможность исследования высокотемпературных сверхпроводников, мы планируем создать более чувствительные датчики с бóльшим разрешением на чипах для изучения структуры отдельных магнитных вихрей, - сказал Фольман. – Мы надеемся обнаружить что-то новое, что невозможно было увидеть с помощью других технологий».
Исследователи, включая Будкера и Фольмана, предпринимают попытки раскрыть другие тайны с помощью магнитных датчиков. Например, они исследуют сетчатую структуру нервных клеток, регистрируя магнитное поле, которое излучает каждая нервная клетка. В другом проекте их целью является регистрация странных, ранее не встречавшихся элементов, названных аксионами, благодаря их воздействию на магнитные датчики.
Источник: Калифорнийский университет - Беркли.
