Nanoscale high-pressure high-temperature imaging using diamond quantum sensor

使用金刚石量子传感器进行纳米级高压高温成像

基本信息

批准号：
21K14524
负责人：
荒井慧悟
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

地球内部の研究には高温高圧環境が欠かせない。高温高圧を実現する装置としてダイヤモンドアンビルセル（DAC）がある。ところが現状では、DAC内部の温度・圧力を高感度・高空間分解能でイメージングできるセンサが存在しないため、マントル組成や地殻の磁気モーメント含有量をより精緻に特定することは困難となっている。本研究では、圧力・温度センサとして～1,000 K、～100 GPa下で動作するダイヤモンド中の窒素・空孔欠陥（NVセンター）を用いて、DAC内の温度・圧力を高感度かつ高空間分解能で計測する手法を確立することを目指した。一年目は、NVセンターの計測装置にDACを組み込み、常温下で常圧～数10GPaに至るまでの圧力計測を実施した。NVセンターの配置にあたっては、ナノダイヤモンドを封入する技術を採用した。本計測は常温で行われたため、その意義は先行研究の再現性の確認に留まるものであったが、我々が得た圧力感度の結果がこれらの先行研究のものと整合していたことから、高温環境への拡張に対する期待が高まった。二年目は、窒素イオン注入によってDAC表面付近にNVセンター膜を生成した。そして前年度の高圧下での定点計測を拡張し、高圧下でのイメージングを実施した。その結果、ダイヤモンドキュレットの中心に向かって圧力が高まる様子など、DAC内の圧力分布をマイクロメートル・スケールで得ることができた。また、磁性物質を試料としてDAC内に封入し、磁場測定を行ったところ、高圧下での磁気相転移によって磁化が消失する様子を捉えることに成功した。さらには、DACに抵抗加熱機構を加えて200℃での高温計測も実施した。今後は、温度感度および圧力感度を温度・圧力の2次元関数として、NVセンターの極限環境での物性をより包括的に明らかにし、地球科学の未解決課題に資するセンシング技術にまで昇華することを目指す。

高温高压环境对于地球内部研究至关重要。金刚石砧室（DAC）是一种实现高温高压的装置。然而，目前还没有能够以高灵敏度和高空间分辨率对DAC内部的温度和压力进行成像的传感器，从而难以更精确地确定地幔的成分和地壳的磁矩含量。在这项研究中，我们使用金刚石中的氮/空位缺陷（NV 中心）作为压力/温度传感器，以高灵敏度和高空间分辨率测量 DAC 内部的温度/压力，其工作温度为 ~1,000 K 和 ~100 GPa。的目的是建立一种测量方法。第一年，我们在NV中心的测量设备中安装了DAC，测量了从常压到室温下几十GPa的压力。在布置NV中心时，我们采用了纳米金刚石封装技术。由于该测量是在室温下进行的，因此其意义仅限于确认先前研究的再现性，但由于我们获得的压力敏感性结果与这些先前研究的结果一致，因此扩展到高温环境的预期有所增加。第二年，通过氮离子注入在DAC表面附近生成NV中心膜。我们在去年高压定点测量的基础上进行了扩展，进行了高压成像。因此，他们能够获得 DAC 内部微米级的压力分布，包括压力如何向金刚石刮匙中心增加。此外，通过将磁性材料作为样品封装在DAC中并测量磁场，他们成功地捕获了高压下由于磁相变而导致的磁化消失。此外，DAC 中还添加了电阻加热机制，可在 200°C 下进行高温测量。未来，我们将利用温度敏感度和压力敏感度作为温度和压力的二维函数，更全面地阐明NV中心在极端环境下的物理特性，并旨在将其升华为传感技术，为人类健康做出贡献。地球科学目标中未解决的问题。