Как сообщили исследователи в журнале Science, это важно, потому что «Давление изменяет физические, химические и электронные свойства вещества."
Понимание этих изменений может привести к появлению новых материалов или новых фаз материи для использования во всех видах технологий и приложений, – сказал Валерий Левитас, соавтор статьи и заслуженный профессор инженерии Энсона Марстона в Университете штата Айова, заведующий кафедрой факультета Вэнса Коффмана и профессор аэрокосмической техники.
Левитас, чья лаборатория специализируется на экспериментальном тестировании и компьютерном моделировании наук о высоких давлениях, сказал, что новая сенсорная технология может также способствовать развитию исследований высокого давления в химии, механике, геологии и планетологии.
Разработка и демонстрация технологии описана в статье «Визуализация напряжений и магнетизма при высоких давлениях с использованием наноразмерного квантового датчика», только что опубликованной Science. Ведущий автор – Норман Яо, доцент кафедры физики Калифорнийского университета в Беркли. Мехди Камрани из штата Айова, докторант в области аэрокосмической техники, также является соавтором.
В документе описывается, как исследователи устанавливают серию наноразмерных датчиков – они называют их центрами окраски с вакансиями азота – в алмазы, используемые для оказания высокого давления на крошечные образцы материалов.
Обычно эксперименты с «алмазной наковальней» с материалами, зажатыми между двумя алмазами, позволяют исследователям измерять давление и изменения объема.
Новая система позволяет исследователям отображать, измерять и рассчитывать шесть различных напряжений – гораздо более полную и реалистичную меру воздействия высокого давления на материалы.
Новые тесты также позволяют исследователям измерять изменения в магнетизме материала.
«Это одна из ключевых проблем в науке о высоких давлениях», – сказал Левитас. "Нам нужно измерить все шесть этих напряжений в алмазе и образце.
Но все их сложно измерить под высоким давлением."
Лаборатория Левитаса провела уникальные эксперименты, поместив материалы под высокое давление, а затем изменив их, что позволило исследователям резко снизить давление фазового превращения и найти новые фазы материи, которые могут иметь технологическое применение.
Лаборатория также выполняет многомасштабное компьютерное моделирование для экспериментов с алмазной наковальней под высоким давлением – Левитас говорит, что это единственная лаборатория в мире, которая выполняет такое моделирование. Он сказал, что именно опыт моделирования высокого давления был причиной того, что его пригласили сотрудничать с сенсорным проектом Яо.
Моделирование позволило восстановить поля всех шести напряжений во всей алмазной наковальне, где они не могли быть измерены, а также проверить экспериментальные результаты. Левитас планирует использовать этот датчик в своей лаборатории.
Датчик позволяет «преследовать две взаимодополняющие цели в науке о высоких давлениях: понимание прочности и разрушения материалов под давлением (e.грамм., переход хрупкое-пластичное) и обнаружение и характеристика экзотических фаз материи (e.грамм., стабилизированные давлением высокотемпературные сверхпроводники) », – написали исследователи в своей статье.
Описанная в статье технология определения вакансий азота также использовалась для измерения других свойств материалов, например электрических и тепловых характеристик. Исследователи написали, что его «теперь можно без проблем распространить на среду с высоким давлением, открыв широкий спектр экспериментов для количественной характеристики материалов в таких экстремальных условиях."