Forbedring af sansemuligheder for diamanter med kvanteegenskaber

Ren diamant består af kulstofatomer i et perfekt krystalgitter. Men fjern et par carbonatomer og byt nogle andre til nitrogen, og du får en diamant med særlige kvantefølende egenskaber. Disse egenskaber er nyttige til kvanteinformationsapplikationer og registrering af magnetiske felter, og som en platform til at undersøge kvantfysikkens mysterier.

Når et nitrogenatom er ved siden af ​​rummet, der frigøres af et carbonatom, det danner det, der kaldes et nitrogen-vacancy (NV) center. Nu, forskere har vist, hvordan de kan oprette flere NV -centre, hvilket gør det lettere at registrere magnetfelter, ved hjælp af en relativt enkel metode, der kan udføres i mange laboratorier. De beskriver deres resultater i denne uge i Anvendt fysik bogstaver .

Magnetfeltmåling er et godt eksempel på betydningen af ​​denne sansning. Grønt lys kan få NV -centrene til at fluorescere og udsende rødt lys, men mængden af ​​denne fluorescens ændres i nærvær af et magnetfelt. Ved at måle lysstyrken af ​​fluorescensen, diamant NV -centre kan hjælpe med at bestemme magnetfeltstyrke. Sådan en enhed kan lave magnetiske billeder af en række prøvetyper, herunder sten og biologisk væv.

Følsomheden af ​​denne type magnetisk detektion bestemmes af koncentrationen af ​​NV -centre, mens ledige stillinger, der ikke er parret med nitrogen, skaber støj. Effektiv konvertering af ledige stillinger til NV -centre, derfor, samt maksimering af koncentrationen af ​​NV -centre, spiller en central rolle i udviklingen af ​​disse detektionsmetoder.

Forskere køber typisk nitrogendopede diamanter fra en separat virksomhed. De bombarderer derefter diamanten med elektroner, protoner eller andre partikler, som fjerner nogle af carbonatomerne, efterlader ledige stillinger. Endelig, en opvarmningsproces kaldet glødning skubber de ledige stillinger ved siden af ​​nitrogenatomerne til dannelse af NV -centrene. Problemet er, at bestråling ofte kræver, at du sender din prøve til en separat facilitet, hvilket er dyrt og tidskrævende.

"Det særlige ved vores tilgang er, at den er meget enkel og meget ligetil, "sagde Dima Farfurnik fra det hebraiske universitet i Jerusalem i Israel." Du får tilstrækkeligt høje NV-koncentrationer, der er passende til mange applikationer med en enkel procedure, der kan udføres internt. "

Deres metode anvender elektroner med høj energi i et transmissionselektronmikroskop (TEM), et instrument, der er tilgængeligt for mange forskere, til lokalt at oprette NV -centre. Normalt, en TEM bruges til at billede materialer ned til subnanometeropløsninger, men dens smalle elektronstråle kan også bestråle diamanter.

Andre har vist, at TEM'er kan oprette NV -centre i specialiserede diamantprøver, men forskerne i denne undersøgelse testede metoden med succes på flere kommercielt tilgængelige diamantprøver.

I en typisk, ubehandlet prøve, mindre end 1 procent af nitrogenatomerne danner NV -centre. Men ved at bruge en TEM, forskerne øgede denne konverteringseffektivitet til så højt som 10 procent. I visse tilfælde, prøverne nåede deres mætningsgrænse, og mere bestråling var ikke længere effektiv. For andre prøver, imidlertid, forskerne nåede ikke denne grænse, tyder på, at yderligere bestråling kan øge effektiviteten yderligere. Med højere konverteringseffektiviteter, og små bestrålingsvolumener mulige med en TEM, enheder som magnetiske sensorer kunne være mere kompakte.

For at sikre, at metoden ikke hindrede effektiviteten af ​​NV'er i applikationer som detektering af magnetfelter, forskerne bekræftede, at den tid, NV -centrene forbliver i deres stater - sammenhængstiden - ikke ændrede sig.

Ved at pakke nok NV -centre ind i en diamant ville fysikere kunne undersøge kvanteinteraktionerne mellem centrene selv. Denne forskning kunne muliggøre oprettelsen af ​​en unik kvantetilstand kaldet en presset tilstand, som aldrig er blevet demonstreret før i en solid og kunne skubbe disse systemers sansemuligheder ud over nutidens klassiske grænser.

"Vi håber, at det øgede antal NV-centre på grund af bestråling vil tjene som et springbræt for dette langsigtede og ambitiøse mål, "Sagde Farfurnik.