La pression est un paramètre fondamental qui modifie les propriétés de la matière : l'oxygène devient un métal, les hydrures deviennent des supraconducteurs. L'enclume de diamant (une cellule avec deux diamants comprimant l'échantillon) génère des centaines de gigapascals, mais à l'intérieur de la chambre, la pression est répartie de manière inégale. Les méthodes classiques, comme la fluorescence du rubis ou la diffraction, donnent une valeur en un point ou une image moyenne. Ce travail s'inscrit dans la lignée des recherches où les nanodiamants ont déjà été utilisés comme capteurs de champs magnétiques et de température dans les enclumes de diamant, mais ici, pour la première fois, une carte de pression est établie sur tout le volume de la chambre.
Dans la chambre d'une enclume de diamant avec un diamètre de table de 260 µm, des nanodiamants de 50 nm avec des centres azote-lacune ont été placés, ainsi que du rubis pour l'étalonnage et un échantillon de fer. Le chlorure de sodium servait de milieu transmetteur de pression. Deux configurations d'empilement ont été utilisées : dans l'une, les nanodiamants reposaient directement sur le diamant ; dans l'autre, ils étaient recouverts d'une couche de sel. L'échantillon a été irradié par un laser vert (532 nm) et des micro-ondes, et la fluorescence rouge a été enregistrée par une caméra CMOS. Pour chaque point de la chambre, un spectre de résonance magnétique optiquement détectée a été obtenu et ajusté avec des modèles de compression hydrostatique ou uniaxiale.
Dans la configuration avec une seule couche de sel (les nanodiamants touchent le diamant), les spectres se sont révélés asymétriques. Le modèle de compression uniaxiale a donné une pression axiale de 22,1 GPa et une pression transversale de 12,5 GPa, soit une anisotropie de 1,77. Dans toute la chambre, la pression axiale variait de 14 à 30 GPa, la pression transversale de 10 à 20 GPa, et le rapport des pressions diminuait de 1,6–1,8 au centre à 1,4 sur les bords. Dans la configuration avec deux couches de sel, les spectres étaient symétriques, et le modèle hydrostatique a donné une pression de 17–20 GPa, ce qui concorde avec l'étalonnage au rubis (20,0 GPa). L'anisotropie dans ce cas était de 1,2–1,5, ce qui est nettement plus faible.
Ce travail montre que les nanodiamants peuvent être utilisés comme capteurs de pression distribués avec une résolution micrométrique à l'intérieur d'une enclume de diamant. Contrairement aux études voisines où les nanodiamants sont principalement employés pour mesurer les champs magnétiques ou la température, ici, pour la première fois, une carte complète de la non-hydrostaticité dans la chambre à 20 GPa est obtenue. La méthode ne nécessite pas d'optique complexe et est compatible avec la microscopie à champ large, ce qui la rend rapide et pratique pour les expériences de routine.
La technique peut être étendue à la mesure simultanée de la pression, de la température et du champ magnétique dans une même chambre. Il est possible d'utiliser des nanodiamants de différentes tailles ou orientations pour améliorer la précision. À terme, la méthode pourrait s'appliquer à l'étude des transitions de phase et de la supraconductivité sous pression, où l'homogénéité locale de la compression est importante.
La méthode sera utile en physique des hautes pressions, en science des matériaux et en géophysique, où il est nécessaire de contrôler les conditions de compression de l'échantillon. Elle pourrait également accélérer la recherche de nouveaux supraconducteurs, car elle permettra de vérifier rapidement l'hydrostaticité dans la chambre.
La prochaine étape consiste à calibrer la méthode à des pressions plus élevées (jusqu'à 100 GPa) et à vérifier son fonctionnement avec d'autres milieux transmetteurs de pression. Il faudra également étudier l'influence de la taille des nanodiamants et de leur concentration sur la précision des cartes.
En physique des hautes pressions, la question de l'influence de la non-hydrostaticité sur les résultats des mesures des propriétés des matériaux reste ouverte. Ce travail fournit un outil pour quantifier cette non-hydrostaticité, ce qui pourrait aider à interpréter les expériences sur la supraconductivité et les transitions de phase.
Cette section s'adresse à l'auteur du travail et à ses collègues. Les travaux voisins ont été trouvés par une recherche sémantique dans notre archive, et non par correspondance de mots. Nous n'évaluons pas : nous montrons le champ autour.
Ce que fait ce travail
L'étude démontre l'utilisation de nanodiamants avec des centres NV pour cartographier la distribution de pression dans une cellule à enclumes de diamant à ~20 GPa. Deux configurations d'empilement du milieu sont comparées : une avec une seule couche de NaCl et une avec deux couches, montrant que la seconde option offre des conditions plus hydrostatiques. Des cartes micrométriques de pression axiale et transverse ont été obtenues, révélant une anisotropie.
Où est sa force
Pour la première fois, une carte complète de la non-hydrostaticité à l'intérieur d'une chambre à haute pression a été obtenue avec une résolution micrométrique, en utilisant une optique à champ large et une caméra CMOS, ce qui rend la méthode rapide et adaptée aux expériences de routine.
Vers où avancer
À essayer
Pourquoi cela peut compter
Cette méthode pourrait devenir un outil standard pour le contrôle des conditions dans les expériences à haute pression, en particulier dans les recherches sur la supraconductivité et les transitions de phase, où l'homogénéité de la pression est cruciale.
Travaux voisins dans notre archive
L'archive est vide autour de ce travail : l'analyse la plus proche n'est qu'à 0.55, contre 0,64 d'ordinaire. Il semble qu'on ait peu foré à côté.
Les nanodiamants de 50 nm sont si petits qu'environ 8 billions tiennent dans un millimètre cube. À une pression de 20 GPa, la distance entre les atomes dans le diamant diminue d'environ 1,5 %, mais le centre azote-lacune reste stable et continue d'émettre de la lumière.