Defeitos no diamante viram sensores para monitorar condições extremas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/01/2020

À esquerda, os diamantes naturais brilham sob luz ultravioleta devido aos seus vários centros de vacância de nitrogênio (NV). À direita, um esquema representando as bigornas de diamante em ação, com os centros NV na bigorna inferior.
[Imagem: Norman Yao/Berkeley Lab/Ella Marushchenko]

Bigornas de diamante

A descoberta de novos elementos químicos, a síntese de materiais superduros e ultrarresistentes e experiências que simulam o que acontece no interior de planetas e estrelas - tudo isso depende de uma ferramenta usada em laboratórios do mundo todo, conhecida como bigorna de diamante.

Devido à dureza do diamante, dois pequenos cristais são comprimidos um contra o outro, criado pressões descomunais no interior dessas bigornas, possibilitando então estudar fenômenos extremos.

Essa ferramenta só não é perfeita porque é muito difícil medir as propriedades dos materiais - como resistência ou magnetismo - conforme a pressão aumenta no seu interior. Monitorar essas propriedades exigiria sensores capazes de suportar essas pressões astronômicas.

Satcher Hsieh e seus colegas dos Laboratórios Berkeley, nos EUA, tiveram uma ideia melhor: Usar defeitos existentes naturalmente no diamante como sensores.

Defeitos usados como sensores

No nível atômico, os diamantes devem sua robustez aos átomos de carbono ligados em uma estrutura cristalina tetraédrica. Mas, quando os diamantes se formam, alguns átomos de carbono podem sair do seu local natural na rede, deixando uma vaga. Quando um átomo de nitrogênio aprisionado no cristal - uma impureza - fica adjacente a uma dessas vagas, forma-se um defeito atômico especial: uma vacância de nitrogênio.

O uso que Hsieh fez desses centros é novo, mas ideia não é totalmente original, uma vez que os defeitos no diamante, também conhecidos como centros de cor, são conhecidos há bastante tempo pelo pessoal da computação quântica, que os utilizam como qubits ou como transistores de luz.

Ao transformar essas falhas atômicas naturais dentro das bigornas de diamante em pequenos sensores quânticos, os pesquisadores desenvolveram uma ferramenta que abre as portas para uma ampla gama de experimentos inacessíveis aos sensores convencionais, abrindo caminho para o desenvolvimento de uma nova geração de materiais inteligentes, bem como para a síntese de novos compostos químicos, configurados atomicamente pela pressão.

Sensor quântico

Para tirar proveito das propriedades intrínsecas de detecção dos centros de cor, Hsieh projetou uma fina camada deles diretamente dentro da bigorna de diamante, a fim de tirar uma foto da física dentro da câmara de alta pressão.

Os sensores brilham em um tom forte de vermelho quando excitados com luz laser. Monitorando o brilho dessa fluorescência, os pesquisadores conseguiram ver como os sensores reagem a pequenas mudanças em seu ambiente.

E apenas esse teste inicial já valeu uma descoberta surpreendente: a superfície da bigorna de diamante, que se acreditava permanecer plana até pressões muito altas, na verdade começa rapidamente a se curvar no centro conforme a pressão aumenta. Além disso, parecem surgir "degraus" no cristal de diamante, que assume características de uma superfície texturizada.

Agora que demonstraram como projetar vacâncias de nitrogênio nas bigornas de diamante, os pesquisadores planejam usar seu dispositivo para explorar o comportamento magnético de hidretos supercondutores - materiais que conduzem eletricidade sem perdas, o que pode revolucionar a maneira como a energia é armazenada e transferida.

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