天然钻石由于其不同的氮空位（NV）中心而在紫外线照射下发光（左图）。NV传感器受激光作用时，会发出明亮的红色阴影（右图）。
自金刚石对顶砧问世以来，科学家们得以在安全范围内重现地幔深处的超强压力或者超高压引发的化学反应。为了开发新的高性能材料，科学家们需要了解恶劣条件下材料磁性和强度等特性的变化情况。而为了测试材料特性的变化，科学家们需要一种能够承受金刚石对顶砧内部压碎力的高灵敏传感器。美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室量子相干材料中心（NPQC）的研究人员，一直希望用电子、光学材料开发出能测量电场和磁场的超灵敏传感器。目前，在NPQC的支持下，伯克利实验室和加州大学伯克利分校（UCB）的研究人员找到了一种聪明的解决方案：将金刚石对顶砧中的自然原子缺陷转化为微型量子传感器。该成果对于新一代智能材料的设计，以及压力微调型新化合物的合成均有重要意义。相关成果刊登于《科学》杂志。
金刚石的坚固性与其四面体晶体结构有关。然而在钻石形成的过程中，部分碳原子会被挤出其“晶格位置”，导致结构中出现空位。如果被困在晶体中的氮原子杂质恰好与空位相邻，就会形成一种特殊的原子缺陷——氮空位（NV）中心。UCB物理系助理教授Norman Yao解释说，在过去的十年中，科学家们曾利用NV中心作为微型传感器测量了磁性蛋白质和单个电子等诸多对象。
为了充分利用NV中心固有的传感特性，Yao等在金刚石对顶砧内直接设置了一层薄薄的NV中心，以便对高压腔内的物理现象进行快照。在激光激发下，NV传感器发出明亮的红色阴影。通过探测荧光亮度，研究人员就能分析NV传感器对环境细微变化的响应情况。结果令他们大吃一惊：金刚石对顶砧曾经平整的表面在压力作用下开始向中心弯曲了。
Yao说：“这个情况其实早已为人所知，但它是研究人员在超高压力下的观测结果。而我们设计的NV传感器能够在低压力下检测出微小的曲率。”
此外，Yao等在挤压甲醇/乙醇混合物、使其经历玻璃化转变时，钻石表面从光滑态变成了锯齿状。
在另外一项实验中，研究人员用NV传感器捕捉到了铁和钆的磁性“快照”。研究人员指出，NV传感器可以在磁场波动时转换成不同的磁量子态。因此研究人员假设，他们也能用钆电子运动发出的磁性“噪音”描述钆的磁性相位。研究人员发现，当钆处于磁性相时，电子被抑制了，磁场波动很弱。NV传感器在很长一段时间内保持了单磁性量子状态。而当钆变成磁性相时，电子会迅速四散移动，导致附近的NV传感器迅速切换到另一种磁性量子态。研究人员认为，这种“噪声光谱”技术有望成为一种探索磁性物质相的新工具。研究人员Satcher Hsieh展望说：“NV传感器不仅可以用于物理学，还能在高压化学、古地磁学和量子科学等领域大展身手。”
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编译：德克斯特
审稿：alone
责编：张梦
期刊来源：《科学》
期刊编号：0036-8075
原文链接：
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