Les chercheurs découvrent le lien entre la force du champ magnétique et la température

Anonim

Les chercheurs ont récemment découvert que la force du champ magnétique nécessaire pour déclencher un processus de mécanique quantique particulier, tel que la photoluminescence et la capacité de contrôler les états de spin avec des champs électromagnétiques, correspond à la température du matériau. Sur la base de cette découverte, les scientifiques peuvent déterminer la température d'un échantillon à une résolution d'un micron cube en mesurant l'intensité du champ auquel cet effet se produit. La détection de la température fait partie intégrante de la plupart des processus industriels, électroniques et chimiques. Par conséquent, une plus grande résolution spatiale pourrait profiter aux activités commerciales et scientifiques. L'équipe présente ses conclusions dans AIP Advances .

Dans les diamants, les atomes d'azote peuvent remplacer les atomes de carbone; lorsque cela se produit à côté de lacunes dans le réseau cristallin, cela produit des propriétés quantiques utiles. Ces postes vacants peuvent avoir une charge négative ou neutre. Les centres de vacance chargés négativement sont également photoluminescents et produisent une lueur détectable lorsqu'ils sont exposés à certaines longueurs d'onde de lumière. Les chercheurs peuvent utiliser un champ magnétique pour manipuler les spins des électrons dans les lacunes, ce qui modifie l'intensité de la photoluminescence.

Une équipe de chercheurs russes et allemands a créé un système capable de mesurer les températures et les champs magnétiques à de très faibles résolutions. Les scientifiques ont produit des cristaux de carbure de silicium présentant des lacunes similaires à celles des centres de recherche d’azote dans les diamants. Ensuite, ils ont exposé le carbure de silicium à la lumière laser infrarouge en présence d'un champ magnétique constant et ont enregistré la photoluminescence résultante.

Des champs magnétiques plus forts facilitent le transfert des électrons de ces lacunes entre les états de spin de l'énergie. À une intensité de champ spécifique, la proportion d'électrons avec la rotation 3/2 change rapidement, dans un processus appelé anticrossing. La luminosité de la photoluminescence dépend de la proportion d'électrons dans différents états de spin, de sorte que les chercheurs ont pu évaluer la force du champ magnétique en surveillant le changement de luminosité.

En outre, la luminescence change brusquement lorsque les électrons dans ces lacunes subissent une relaxation croisée, un processus où un système quantique excité partage de l'énergie avec un autre système dans son état fondamental, amenant les deux à un état intermédiaire. La force du champ nécessaire pour induire une relaxation croisée est directement liée à la température du matériau. En faisant varier la force du champ et en enregistrant le changement soudain de la photoluminescence, les scientifiques ont pu calculer la température de la région du cristal étudié. L'équipe a été surprise de découvrir que les effets quantiques restaient même à température ambiante.

"Cette étude nous permet de créer des capteurs de température et de champ magnétique dans un seul appareil", a déclaré Andrey Anisimov, de l’Institut Physico-Technique Ioffe de l’Académie des Sciences de Russie et l’un des auteurs du document. De plus, les capteurs peuvent être miniaturisés à 100 nanomètres, ce qui permettrait leur utilisation dans l'industrie spatiale, les observations géophysiques et même les systèmes biologiques. "Contrairement au diamant, le carbure de silicium est déjà un matériau semi-conducteur disponible, et les diodes et les transistors en sont déjà fabriqués", a déclaré Anisimov.

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