左图是天然钻石由于其不同的氮空位（NV）中心而在紫外线下发光。右侧是示意图，显示了正在运行的金刚石砧，NV中心位于底部砧。NV传感器在被激光激发时会发出明亮的红色阴影。通过探测这种荧光的亮度，研究人员能够看到传感器如何响应环境中的细微变化。（图片来源：姚诺/伯克利实验室；埃拉·马鲁申科）

自60年前发明以来，金刚石砧座细胞使科学家能够重现极端现象，例如地球地幔深处的压碎力，或使仅在强烈压力下触发的化学反应全都在您可以安全地握在手中的实验室仪器的范围内。

为了开发新的高性能材料，科学家们需要了解有用的特性（如磁性和强度）在如此恶劣的条件下如何变化。但是通常，要以足够的灵敏度测量这些特性，就需要一个能够承受金刚石砧座内部压碎力的传感器。

自2018年以来，由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）牵头的能源前沿研究中心-材料量子相干性新途径中心（NPQC）的科学家一直在寻求了解电子和电子的特性可以利用光学材料来开发能够测量电场和磁场的超灵敏传感器。

现在，由伯克利实验室和加州大学伯克利分校领导的一组科学家在NPQC的支持下提出了一个聪明的解决方案：通过将钻石砧内部的自然原子缺陷转变成微小的量子传感器，科学家们开发了一种可以打开传统传感器无法进行的大量实验之门。他们的发现发表在《科学》杂志上，对新一代智能设计材料以及通过压力进行原子微调的新化学化合物的合成具有影响。

将原子缺陷转化为传感器

在原子水平上，钻石的坚固性归功于四面体晶体结构中结合在一起的碳原子。但是，当钻石形成时，一些碳原子会从其“晶格部位”被撞出，“晶格部位”是晶体结构中的一个空间，就像它们分配的停车位一样。当捕获在晶体中的氮原子杂质靠近空位时，会形成特殊的原子缺陷：氮空位（NV）中心。

伯克利实验室材料科学系的科学家Norman Yao解释说，在过去十年中，科学家将NV中心用作微型传感器来测量单个蛋白质的磁性，单个电子的电场以及活细胞内部的温度。加州大学伯克利分校物理系助理教授。

为了利用NV中心的固有传感特性，Yao及其同事在金刚石砧座的内部直接设计了薄薄的一层，以便对高压室内的物理情况进行快照。

成像金刚石砧座内部的应力

研究人员在十分之一克拉的钻石中生成了一层厚度为数百个原子的NV中心传感器之后，研究人员测试了NV传感器测量金刚石砧室高压腔的能力。

合著者Satcher Hsieh（左）和Chong Zu调整了成像系统的激光。当被激光激发时，NV中心会发出光子，其光度会通知研究人员他们所感测的当地环境。图片来源：Marilyn Sargent /伯克利实验室

当被激光激发时，传感器发出明亮的红色阴影。通过探测这种荧光的亮度，研究人员能够看到传感器如何响应环境中的细微变化。

他们发现的结果使他们感到惊讶：NV传感器表明，曾经是平坦的钻石砧表面在压力作用下开始在中心弯曲。

加州大学伯克利分校地球和行星科学教授雷蒙德·让洛兹（Raymond Jeanloz）的合著者和他的团队将这种现象识别为“凹陷”，即向砧尖中心的压力集中。

姚说：“他们已经知道这种影响数十年了，但习惯于在20倍的压力下看到它，在这里您可以通过眼睛看到弯曲。” “值得注意的是，我们的钻石砧传感器即使在最低压力下也能够检测到这种微小的弯曲。”

还有其他惊喜。当他们挤压的甲醇/乙醇混合物经历从液体到固体的玻璃化转变时，钻石表面从光滑的碗变成锯齿状，有纹理的表面。爱荷华州立大学的Valery Levitas和Ames实验室的合著者进行的机械模拟证实了这一结果。

“这是从根本上测量高压材料中相变的一种新方法，我们希望这可以补充利用同步辐射源产生的强大X射线辐射的传统方法，”伯克利实验室（Berkeley Lab）博士研究人员Satcher Hsieh说。加州大学伯克利分校的材料科学部和Yao组的成员。

Hsieh的共同主要作者是加州大学伯克利分校的研究生研究员Prabudhya Bhattacharyya和Yao Group的博士后研究员Chong Zu。

压力下的磁性

在另一个实验中，研究人员使用他们的NV传感器阵列来捕获铁和g的磁性“快照”。

铁和g是磁性金属。长期以来，科学家一直知道压缩铁和can可以将它们从磁性相转变为非磁性相，这就是科学家所说的“压力引起的相变”的结果。在铁的情况下，研究人员通过测量高压室内的微米大小（或百万分之一米）的铁珠产生的磁场的损耗，直接对这种转变进行了成像。

钻石砧室。通过在这两个相对的砧座之间压缩样品，可以获得大于地球中心的压力。图片来源：Marilyn Sargent /伯克利实验室

对于of，研究人员采用了另一种方法。尤其是，said内部的电子“愉快地在随机方向旋转”，而这种混乱的电子“雾坑”产生了波动的磁场，NV传感器可以测量到这种磁场。

研究人员指出，NV中心传感器在存在磁波动的情况下可以翻转成不同的磁量子状态，就像在附近挥动条形磁铁时指南针朝不同方向旋转一样。

因此，他们推测通过计时NV中心从一种磁性状态转变到另一种磁性状态所花费的时间，可以通过测量measuring电子运动产生的磁性“噪声”来表征g的磁性相。

他们发现，当in处于非磁性相时，its的电子会被制服，因此磁场波动很小。随后，NV传感器在单个磁量子状态中停留了很长的时间-近一百微秒。

相反，当sample样品变为磁性相时，电子迅速移动，从而使附近的NV传感器迅速翻转至另一种磁性量子态。

Hsieh说，这种突然的变化提供了清楚的证据，证明g已经进入了一个不同的磁相，并补充说，他们的技术使他们能够以亚微米的精度查明整个样品的磁性能，而不是像以前的研究那样对整个高压腔进行平均。

研究人员希望，这种“噪声光谱”技术将为科学家提供一种新的工具，用于探索磁性物质的各个阶段，这些阶段可以用作通过下一代超快速自旋电子器件以较小，更快，更便宜的方式存储和处理数据的基础。 。

下一步

现在，他们已经展示了如何将NV中心设计到金刚石砧座中，研究人员计划使用他们的设备来探索超导氢化物的磁性行为。超导氢化物是在高压下在室温附近不会损失电的导电材料，这可能会改变能量的使用方式。被存储和传输。

他们还想探索物理学以外的科学。Hsieh说：“对我而言，最令人兴奋的是，该工具可以帮助众多不同的科学界。” “它正在与从高压化学家到火星古磁性学家到量子材料科学家的小组加强合作。”

伯克利实验室的研究人员；加州大学伯克利分校 德国路德维希-马克西米利安大学；爱荷华州立大学；华盛顿哥伦比亚特区卡内基研究所；艾姆斯实验室参加了这项工作。