Diamanter mangler holder løfte om nye teknologier

På trods af deres charme og charme, diamanter er sjældent perfekte. De har små fejl, til adjunkt Nathalie de Leon, gøre dem nogensinde så tiltalende. Disse fejl i atomstørrelse har et enormt potentiale inden for teknologier til billedbehandling i høj opløsning og sikre kommunikationslinjer.

"Historisk set folk kaldte disse defekter 'farvecentre', fordi når du skinner lys på en diamant, ser du en masse smukke farver komme tilbage, "sagde de Leon, der er ansat i Institut for Elektroteknik. Hun vil udnytte egenskaberne af disse defekter til billedmolekyler og proteiner.

En diamant er et stramt gitter af kulstofatomer. Ved at sparke et af carbonatomer ud og tilføje et nitrogenatom i nærheden, forskerne kan skabe en defekt kendt som et "nitrogen-ledig farvecenter." Nitrogenatomet og de dinglende bindinger omkring det manglende carbonatom danner en slags molekyle inden for et lille område af diamantgitteret. Dette område af diamanten fungerer som en frodig oase midt i en ørken, viser meget forskellige egenskaber end resten af ​​materialet.

De Leon arbejder på at bruge et nitrogen-tomt farvecenter nær overfladen af ​​en diamant til at fange billeder af molekyler. Fremgangsmåden udnytter en egenskab ved defekten kendt som "spin, "som er analog med momentet i en spinning top. Disse spins interagerer med molekylets magnetfelt, som varierer fra en del af molekylet til en anden. Signalerne fra disse interaktioner kan indsamles og behandles for at lave et billede, der er meget højt i rumlig opløsning - højt nok til at forestille et enkelt molekyle DNA.

For at dette skal virke, det eneste signal, der kommer fra diamantens overflade, skal være det fra farvecentret. Men det er en svær bedrift, som det øjeblik, diamanten udsættes for luft, dets overfladeatomer låser sig fast i molekyler, der flyder rundt. Yderligere, at skære eller polere et af de hårdeste materialer i verden bringer andre uønskede defekter til overfladen.

Alle disse ekstra signaler uklar målingen. Faktisk, når forskere forsøger at fjerne de uønskede defekter fra en indledende polering, de skaber utilsigtet flere fejl, der igen skal fjernes. "Du har et museproblem, så du slipper kattene, og du har et katteproblem, så du slipper hundene. Det bliver bare ved, "sagde de Leon. At finde måder at forbedre diamantoverfladen på er et løbende forskningsområde, og de Leon håber på, at en kombination af kemiske behandlinger og et miljø med høj renhed kan gøre det trick.

Farve centre til kommunikation

Selvom disse farvecentre i sidste ende kan fungere som sensorer til biologiske anvendelser, de kan også være grundlaget for nye kommunikationsnetværk - sådanne, der ville gøre aflytning umulig.

I kvantekommunikationssystemer, en aflytter ville ikke være i stand til at læse en besked uden umiddelbart at ændre dens tilstand, og dermed afsløre forsøget på at lirke i budskabet. Det ville også være umuligt at kopiere en kvantebesked.

At gøre signalerne robuste nok til at rejse lange afstande har stoppet udviklingen af ​​kvanteteknologier, sagde de Leon. Hun arbejder på at bygge en "repeater", der kan forstærke signalet og videresende det gennem et kabel, indtil det når sin destination. Dette ville kræve et materiale, der er i stand til at lave kvantehukommelser. Materialet lagrer og genopretter det originale signal for at drive signalet gennem kablerne.

"Det, vi leder efter, er hjertet i denne kvante -repeater, " sagde de Leon. Hendes team opdagede for nylig en kandidat til et sådant hjerte:en defekt i en diamant i form af et stort siliciumatom, der svæver mellem to huller i gitteret.

Det viser sig, at denne defekt har meget gode ladnings- og lysegenskaber, to nødvendige ingredienser for en god kvantehukommelse. Defekten er også mere modstandsdygtig over for interferens fra elektriske felter fra omgivelserne end andre tilgange.