[논문 리뷰] NV center magnetometry up to 130 GPa as if at ambient pressure

Antoine Hilberer, Loïc Toraille외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 12.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다이아몬드 압력판 끝에 마이크로피라미드를 가공하여 질소빈약(NV) 중심의 준수압 상태 환경을 조성함으로써, 최대 130 GPa까지 신뢰성 있는 광학적으로 검출되는 자기공명(ODMR)을 가능하게 한다. 비압축 응력의 억제로 인해, NV 중심의 자기 감도는 대기압 조건과 유사하게 유지되며, 이는 초고압 환경에서 100 GPa 이상에서 초전도 수화합물의 마이스너 효과를 직접 관측할 수 있게 한다.

ABSTRACT

Engineering a layer of nitrogen-vacancy (NV) centers on the tip of a diamond anvil creates a multipurpose quantum sensors array for high pressure measurements, especially for probing magnetic and superconducting properties of materials. Expanding this concept above 100 GPa appears to be a substantial challenge. We observe that deviatoric stress on the anvil tip sets a limit at 40-50 GPa for practical magnetic measurements based on optically detected magnetic resonance (ODMR) of NV centers under pressure. We show that this limit can be circumvented up to at least 130 GPa by machining a micropillar on the anvil tip to create a quasi-hydrostatic stress environment for the NV centers. This is quantified using the pressure dependence of the diamond Raman shift, the NV ODMR dependence on applied magnetic field, and NV photoluminescence spectral shift. This paves the way for direct and reliable detection of the Meissner effect in superconductors above 100 GPa, such as super-hydrides.

연구 동기 및 목표

• 50 GPa 이상에서 표준 다이아몬드 압력판의 비압축 응력으로 인해 NV 중심의 자기 감도가 열화되는 문제를 해결하기 위함.
• NV 중심을 양자 센서로 사용하여 초고압 환경에서 고감도이고 공간적으로 분해능이 뛰어난 자기 측정을 가능하게 하기 위함.
• 마이크로피라미드 구조를 통해 다이아몬드 압력판 끝을 가공함으로써, 100 GPa 이상의 압력에서도 NV 중심에 대해 준수압 상태를 복원할 수 있음을 입증하기 위함.
• 메가바르 압력에서 초전도 물질인 수화합물의 마이스너 효과를 직접 관측할 수 있도록 하기 위함.

제안 방법

• 집중 이온 비임(FIB) 또는 펌프스펙트론 레이저를 사용하여 다이아몬드 압력판의 쿠렛에 마이크로피라미드를 가공하여 응력 집중을 완화함.
• 지속적인 국소 감지를 위해 FIB를 이용해 압력판 표면 이하 약 10 nm 깊이에 밀도가 높은 NV 중심층(~10⁴ NV/µm²)을 주입함.
• 레네이지 가스켓에 에폭시로 메운 슬릿을 통해 레이즈 렌즈 유사 효과를 이용해 마이크로파 자극을 집중시켜 ODMR 신호 검출을 향상시킴.
• 압력 측정을 위해 다이아몬드의 캘리브레이션된 라만 분포를 압력판 끝에서 측정하고, 이를 NV 중심의 광학적 및 자기적 반응과 연관시킴.
• 정적 자기장이 [100] 축을 따라 작용하도록 하여 ODMR 측정을 수행하고, 영자기분열 및 공명 중심의 주파수 이동을 추적함.
• 이방성 파rameter α를 포함한 스핀-메카니컬 상호작용 모델을 적용하여 수압성의 정량적 평가 및 준수압 조건의 검증을 수행함.

Figure 1: (a) Energy diagram of the NV center ground state and evolution under stress. (b) Schematic cross-section of the location of NV centers implanted as a layer below the anvil culet surface. (c) Design of the machined gasket compatible with the MW excitation of the NV centers. Red arrows show

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 다이아몬드 압력판 끝에서의 비압축 응력은 50 GPa 이상에서 NV 중심의 자기 감도를 제한하는가? 만약 그렇다면 그 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 압력판 끝을 마이크로피라미드로 미세구조화함으로써, 100 GPa 이상의 압력에서도 NV 중심에 대해 준수압 상태를 복원할 수 있는가?
• RQ3 극한의 고압 조건에서 마이크로피라미드 형상의 NV 중심에서 ODMR 반응이 대기압 조건과 유사한 행동을 얼마나 잘 유지하는가?
• RQ4 이 방법을 통해 130 GPa까지의 압력에서도 NV 중심의 자기장 감도를 유지할 수 있는가?
• RQ5 마이크로피라미드 형상에서 NV 중심의 영자기분열 및 공명 주파수 이동의 압력 의존성은 정량적으로 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 마이크로피라미드 설계는 130 GPa까지 안정적인 ODMR 측정을 가능하게 하며, 100 GPa 이하에서는 대비가 거의 일정하고 고압에서만 약간 악화됨.
• 마이크로피라미드에서 ODMR 중심 주파수 이동의 압력 의존성은 13.42 ± 0.14 MHz/GPa로, 표준 압력판의 9.68 ± 0.8 MHz/GPa보다 현저히 낮아, 응력 유도 분리가 감소한 것으로 나타남.
• 마이크로피라미드에서의 영자기분열(Δσ) 증가율은 0.29 ± 0.03 MHz/GPa로, 표준 압력판의 3.89 ± 0.06 MHz/GPa보다 훨씬 낮아 비압축 응력 억제가 확인됨.
• 이방성 파rameter α ≈ 0.95는 전체 압력 범위에서 일정하게 유지되어, 마이크로피라미드 내 NV 중심에 대해 거의 완벽한 수압성을 나타냄.
• NV 중심의 영자기선(ZPL)의 블루 시프트는 압축된 다이아몬드 부피에 대해 선형적으로 변화하며 기울기는 -769 ± 4 meV/(cm³·mol⁻¹)로, 표준 압력판의 -434 ± 2 meV/(cm³·mol⁻¹)보다 훨씬 기울기가 급함.
• FIB 및 펌프스펙트론 레이저를 이용한 다양한 제조 방법을 사용한 네 차례의 독립 실험을 통해 마이크로피라미드 설계의 재현성과 내구성이 검증됨.

Figure 2: (a) Scanning electron microscope image of a FIB-machined micropillar on a diamond anvil culet of 100 µm diameter. The bottom panel shows a schematic cross-section with the distortion under pressure of the culet. (b) Energy of the NV center zero-phonon line (ZPL) as a function of pressure a