Группа учёных нашла новый класс дефектов в алмазе, полезных для квантовой обработки информации и измерения температуры
Группа учёных обнаружила новый класс дефектов в алмазе, полезных для технологий квантовой обработки информации и измерения температуры на расстоянии со сверхвысоким пространственным разрешением, включая живые клетки, рассказали информационной службе Хабра в пресс‑службе Сколтеха. Исследование уже опубликовано в виде письма в журнале Physical Review B.
Изображение кристалла алмаза, полученное на сканирующем электронном микроскопе (чёрно‑белая картинка) и на люминесцентном микроскопе (цветной квадрат). Яркие пятна в кристалле — открытые учёными центры окраски, то есть дефекты, поглощающие и переизлучающие свет. На графике справа изображён спектр люминесценции с отчётливым пиком излучаемой энергии, который приходится на свет с длиной волны около 630 нанометров. При повышении или понижении температуры окружающей среды алмаза положение и ширина пика будут изменяться. Регистрируя эти изменения, можно дистанционно измерять температуру.
Дефекта с определёнными свойствами в прозрачном кристалле, например, алмазе, называют центрами окраски. Физически центры окраски представляют различные конфигурации инородного атома, к примеру, азота или другого элемента таблицы Менделеева, в кристаллической решётке алмаза и одной или нескольких вакансий — отсутствующих атомов углерода. Название «центры окраски» связано с оптическими свойствами этих дефектов. Алмаз прозрачен для видимого света, а центры окраски обладают привлекательной с точки зрения технологических применений способностью поглощать и эффективно переизлучать свет в узком частотном диапазоне, с определённым цветом. Ещё одним важным свойством может быть возможность эффективного излучения одиночных фотонов.
Существуют технологии, где возможность генерировать одиночные фотоны в узком спектральном диапазоне будет полезна. На манипуляциях с одиночными фотонами завязаны приложения в квантовой оптике и квантовой информатике. Такое излучение может применяться в квантовой криптографии, например, в теории это безопасный вариант передачи информации. Отправитель и получатель обмениваются зашифрованными посланиями и ключами для их декодирования. При этом ключи должны передаваться по защищённому каналу, и некоторые протоколы их передачи требуют эффективного источника одиночных неразличимых фотонов.
Другая особенность центров окраски зависит от температуры среды, в которой они оказались. В такому случае излучение меняется строго определённым образом. Если очень приближенно сказать, то по цвету центров излучения можно оценить температуру в точке, где находится алмаз с дефектом. Благодаря наноалмазам с центрами окраски, учёные создадут крошечные термометры удалённого действия с температурным и пространственным разрешением и смогут измерить температуру точно и на очень малом пространственном масштабе.
Уже существуют исследования, где с помощью кристаллов с дефектами регистрировали изменения температуры и изучали особенности теплопроводности внутри биологических клеток.
Артур НелюбовПервый автор исследования, аспирант Сколтеха
«Центры окраски в алмазе известны учёным и активно исследуются уже около 40 лет. Новый класс дефектов, который мы обнаружили, обладает наиболее привлекательными оптическими свойствами по сравнению с другими широко известными дефектами в алмазах: дело в том, что бо́льшая часть излучения обнаруженных центров окраски приходится на крайне узкий спектральный диапазон, примерно в 10 раз уже, чем у известных ранее. Этот факт в сочетании с довольно высокой стабильностью и интенсивностью излучения говорит о том, что с их использованием можно проводить локальные измерения температуры с повышенной точностью».
Аспирант Сколтеха Артур Нелюбов рассказал, что у открытых коллективом центров окраски есть ещё одно свойство — узкополосное возбуждение. Они не только излучают свет в узком диапазоне, но и поглощают его выборочно. Получается центры окраски одного класса отличаются друг от друга, и при желании к ним можно обращаться адресно. В биологии есть метод экспериментального исследования образцов, называется мультицветная визуализация. Для этого исследования алмазы с дефектами будут полезны в качестве специфических, нетоксичных, нерадиоактивных биомаркеров. Однако научному коллективу не удалось идентифицировать природу данных центров
По словам Нелюбова, описанные в статье центры окраски были обнаружены в образцах из трёх разных партий чистых микроалмазов. Алмазы произведены методом высоких температур и давлений с использованием адамантана в качестве прекурсора. Для подтверждения наличия таких же дефектов в алмазах естественного происхождения и в изготовленных иными методами нужны дополнительные исследования.
В планах дальнейших исследований научного коллектива входит изучение оптических свойств открытых центров окраски при очень низких температурах. Это поможет получить больше информации о структуре энергетических уровней, и построить теории о происхождении данных дефектов.
По словам учёных, открытие стало возможным благодаря разработке нового экспериментального метода. Авторам работы удалось совместить два типа микроскопии: сканирующую электронную микроскопию и люминесцентную спектро-микроскопию.
Артур НелюбовПервый автор исследования, аспирант Сколтеха
«Такой подход позволил нам маркировать представляющие наибольший интерес микроалмазы с центрами окраски и проводить серии экспериментов на разных установках с одними и теми же микрокристаллами. Концентрации обнаруженных дефектов в алмазах были крайне малы, и обнаружить их получилось только благодаря сверхвысокой чувствительности используемых установок. Таким образом, в роли объектов рассмотрения преимущественно выступали одиночные примесные центры. Благодаря этому, мы смогли собрать статистику, провести подробный анализ свойств и охарактеризовать новый класс излучателей в алмазе».
Кроме учёных из Сколковского института науки и технологий, в исследовании участвовали специалисты Московского педагогического государственного университета, Института спектроскопии, Института физики высоких давлений и Физического института имени П.Н. Лебедева.
