Forscher entdecken den Zusammenhang zwischen Magnetfeldstärke und Temperatur

Anonim

Die Forscher entdeckten kürzlich, dass die Stärke des Magnetfelds, das erforderlich ist, um einen bestimmten quantenmechanischen Prozess auszulösen, wie Photolumineszenz und die Fähigkeit, Spinzustände mit elektromagnetischen (EM) Feldern zu steuern, der Temperatur des Materials entspricht. Basierend auf diesem Ergebnis können Wissenschaftler die Temperatur einer Probe mit einer Auflösung von einem Kubikmikron bestimmen, indem sie die Feldstärke messen, bei der dieser Effekt auftritt. Die Temperaturerfassung ist in den meisten industriellen, elektronischen und chemischen Prozessen integriert, so dass eine größere räumliche Auflösung kommerziellen und wissenschaftlichen Aktivitäten zugute kommen könnte. Das Team berichtet über seine Ergebnisse in AIP Advances .

In Diamanten können Stickstoffatome Kohlenstoffatome ersetzen; Wenn dies neben Leerstellen im Kristallgitter auftritt, erzeugt es nützliche Quanteneigenschaften. Diese offenen Stellen können negativ oder neutral sein. Negativ geladene Leerstellenzentren sind ebenfalls photolumineszent und erzeugen bei Belichtung mit bestimmten Lichtwellenlängen ein nachweisbares Leuchten. Die Forscher können ein Magnetfeld verwenden, um die Spins der Elektronen in den Leerstellen zu manipulieren, was die Intensität der Photolumineszenz verändert.

Ein Team von russischen und deutschen Forschern hat ein System entwickelt, das Temperaturen und Magnetfelder bei sehr kleinen Auflösungen messen kann. Die Wissenschaftler produzierten Kristalle aus Siliciumcarbid mit Leerstellen, die den Stickstoff-Leerstellen in Diamanten ähnelten. Dann setzten sie das Siliziumkarbid in Gegenwart eines konstanten Magnetfeldes dem Infrarotlaserlicht aus und zeichneten die resultierende Photolumineszenz auf.

Stärkere Magnetfelder erleichtern den Elektronen in diesen Leerstellen den Übergang zwischen den Energiespinzuständen. Bei einer bestimmten Feldstärke ändert sich der Anteil der Elektronen mit Spin 3/2 schnell, ein Prozess, der als Anti-Crossing bezeichnet wird. Die Helligkeit der Photolumineszenz hängt vom Anteil der Elektronen in verschiedenen Spinzuständen ab, so dass die Forscher die Stärke des Magnetfeldes durch Beobachtung der Helligkeitsänderung messen konnten.

Zusätzlich ändert sich die Lumineszenz abrupt, wenn Elektronen in diesen Leerstellen eine Kreuzrelaxation durchlaufen, ein Prozess, bei dem ein angeregtes Quantensystem Energie mit einem anderen System in seinem Grundzustand teilt und beide in einen Zwischenzustand bringt. Die Stärke des Feldes, das benötigt wird, um die Kreuzrelaxation zu induzieren, ist direkt an die Temperatur des Materials gebunden. Durch Variation der Stärke des Feldes und Aufzeichnung bei plötzlicher Änderung der Photolumineszenz konnten die Wissenschaftler die Temperatur der Region des zu untersuchenden Kristalls berechnen. Das Team war überrascht zu entdecken, dass die Quanteneffekte sogar bei Raumtemperatur blieben.

"Diese Studie ermöglicht es uns, Temperatur- und Magnetfeldsensoren in einem Gerät zu erzeugen", sagte Andrey Anisimov vom Physikalisch-Technischen Institut Ioffe der Russischen Akademie der Wissenschaften und einer der Autoren des Artikels. Darüber hinaus können Sensoren auf 100 Nanometer miniaturisiert werden, was ihren Einsatz in der Weltraumindustrie, geophysikalischen Beobachtungen und sogar biologischen Systemen ermöglichen würde. "Im Gegensatz zu Diamant ist Siliziumkarbid bereits ein verfügbares Halbleitermaterial, und Dioden und Transistoren werden bereits daraus hergestellt", sagte Anisimov.

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