Naukowcy odkrywają związek między natężeniem pola magnetycznego a temperaturą

263 Warsztat Poszukiaczy Wiedzy 14 luty 2019 (Lipiec 2019).

Anonim

Niedawno naukowcy odkryli, że siła pola magnetycznego wymagana do wywołania szczególnego procesu kwantowego, takiego jak fotoluminescencja i zdolność do kontrolowania stanów spinowych za pomocą pól elektromagnetycznych (EM), odpowiada temperaturze materiału. W oparciu o to odkrycie naukowcy mogą określić temperaturę próbki do rozdzielczości jednego metra sześciennego, mierząc natężenie pola, przy którym ten efekt występuje. Czujniki temperatury są integralną częścią większości procesów przemysłowych, elektronicznych i chemicznych, więc większa rozdzielczość przestrzenna może przynieść korzyści komercyjne i naukowe. Zespół zgłasza swoje wyniki w postępach w AIP.

W diamentach atomy azotu mogą zastępować atomy węgla; gdy pojawia się to obok wakatów w sieci krystalicznej, daje użyteczne właściwości kwantowe. Te wolne miejsca pracy mogą mieć ujemny lub neutralny ładunek. Negatywnie naładowane ośrodki pustki są również fotoluminescencyjne i wytwarzają wykrywalny blask po wystawieniu na działanie pewnych długości fali światła. Naukowcy mogą wykorzystywać pole magnetyczne do manipulowania spinami elektronów w pustkach, co zmienia intensywność fotoluminescencji.

Zespół rosyjskich i niemieckich naukowców stworzył system, który może mierzyć temperaturę i pola magnetyczne w bardzo małych rozdzielczościach. Naukowcy wytworzyli kryształy węglika krzemu z wakatami podobnymi do ośrodków wolnych od azotu w diamentach. Następnie eksponowali węglik krzemu na światło lasera w podczerwieni w obecności stałego pola magnetycznego i rejestrowali uzyskaną fotoluminescencję.

Silniejsze pola magnetyczne ułatwiają przemieszczanie się elektronów w tych wakacjach pomiędzy stanami spinów energetycznych. Przy określonej sile pola proporcja elektronów ze spinem 3/2 szybko zmienia się, w procesie zwanym anticrossing. Jasność fotoluminescencji zależy od proporcji elektronów w różnych stanach spinowych, więc naukowcy mogli zmierzyć siłę pola magnetycznego, monitorując zmianę jasności.

Dodatkowo, luminescencja gwałtownie się zmienia, gdy elektrony w tych pustych przestrzeniach ulegają relaksacji krzyżowej, proces, w którym jeden pobudzony układ kwantowy dzieli energię z innym układem w stanie podstawowym, doprowadzając oba do stanu pośredniego. Siła pola potrzebna do wywołania relaksacji krzyżowej jest bezpośrednio związana z temperaturą materiału. Zmieniając siłę pola i rejestrując nagłą zmianę fotoluminescencji, naukowcy mogli obliczyć temperaturę obszaru badanego kryształu. Zespół był zaskoczony odkryciem, że efekty kwantowe pozostały nawet w temperaturze pokojowej.

"Badanie to pozwala nam tworzyć czujniki temperatury i pola magnetycznego w jednym urządzeniu" - powiedział Andrey Anisimov z Ioffe Physical-Technical Institute Rosyjskiej Akademii Nauk i jeden z autorów artykułu. Ponadto czujniki można zminiaturyzować do 100 nanometrów, co umożliwi ich wykorzystanie w przemyśle kosmicznym, obserwacjach geofizycznych, a nawet w systemach biologicznych. "W przeciwieństwie do diamentu, węglik krzemu jest już dostępnym materiałem półprzewodnikowym, a diody i tranzystory są już z niego wykonane", powiedział Anisimov.

menu
menu