Вчені розробили революційний квантовий датчик, що здатний витримати тиск 30 000 атмосфер

Фізики з Вашингтонського університету в Сент-Луїсі розробили новий тип квантових сенсорів, здатних працювати під тиском, що перевищує атмосферний більш ніж у 30 000 разів. Пристрої створені з надміцного кристалічного нітриду бору та можуть вимірювати магнітні поля і напруження в матеріалах за екстремальних умов. За словами керівника дослідження, доцента фізики Чонга Зу, технологія відкриває перспективи для використання у квантових технологіях, матеріалознавстві, а також у дослідженнях Землі й космосу.

Для створення сенсорів команда використовувала нейтронне випромінення, щоб видалити атоми бору з тонких шарів нітриду бору. Внаслідок цього виникають вакансії, які захоплюють електрони. Їхні спіни надзвичайно чутливі до змін у навколишньому середовищі — температури, тиску або магнітного поля. Вимірюючи поведінку цих спінів, вчені можуть отримувати детальні квантові дані про структуру матеріалу навіть за умов, недосяжних для звичайних приладів.

Схематичне зображення 2D-сенсора, стиснутого між двома алмазними ковадлами. Джерело: Chong Zu

Раніше подібні сенсори створювали з алмазів, однак їхня тривимірна структура ускладнювала точні вимірювання на поверхні зразків. Нові прилади мають товщину менш як 100 нанометрів, що у тисячу разів тонше за людське волосся, тому відстань між сенсором і досліджуваним матеріалом становить менше одного нанометра. Для створення тиску використовували «діамантові ковадла» — дві плоскі поверхні шириною близько 400 мікрометрів, які стискають матеріал у високотисковій камері.

Під час випробувань сенсори змогли зафіксувати незначні зміни магнітного поля у двовимірному магніті. У подальших експериментах вчені планують досліджувати зразки гірських порід, подібні до тих, що перебувають у надрах Землі. На думку Чонга Зу, це допоможе краще зрозуміти процеси, пов’язані з землетрусами та внутрішньою структурою планети.

Крім того, нова технологія може допомогти у вивченні надпровідності — здатності матеріалів проводити струм без опору. Відомі надпровідники потребують високого тиску і низьких температур, а заяви про «кімнатні» надпровідники залишаються суперечливими. Як зазначив співавтор дослідження Руотян Гун, саме такі сенсори дозволять отримати точні експериментальні дані, необхідні для перевірки подібних тверджень.

Результати роботи опубліковані в журналі Nature Com­mu­ni­ca­tions.