Skru op for varmen for perfekte (nano) diamanter

Kvantemekanik, den fysik, der styrer naturen på atomær og subatomisk skala, indeholder et væld af nye fysiske fænomener til at udforske kvantetilstande på nanoskala. Selvom det er svært, der er måder at udnytte disse iboende skrøbelige og følsomme systemer til kvantesansning. Især én ny teknologi gør brug af punktdefekter, eller enkeltatoms fejlplaceringer, i nanoskala materialer, såsom diamant nanopartikler, at måle elektromagnetiske felter, temperatur, tryk, frekvens og andre variabler med hidtil uset præcision og nøjagtighed.

Kvantemåling kan revolutionere medicinsk diagnostik, muliggør udvikling af nye lægemidler, forbedre designet af elektroniske enheder og mere.

Til brug i kvanteregistrering, bulk nanodiamant krystal, der omgiver punktdefekten, skal være yderst perfekt. Enhver afvigelse fra perfektion, såsom yderligere manglende atomer, belastning i diamantens krystallinske gitter, eller tilstedeværelsen af ​​andre urenheder, vil påvirke materialets kvanteadfærd negativt. Meget perfekte nanodiamanter er også ret dyre og svære at lave.

Et billigere alternativ, siger forskere ved Argonne National Laboratory og University of Chicago, er at tage fejlbehæftet, lav kvalitet, kommercielt fremstillede diamanter, og så "helbred" dem.

I et blad udgivet i denne uge i APL materialer , fra AIP Publishing, forskerne beskriver en metode til at helbrede diamant-nanokrystaller under høje temperaturforhold, mens man visualiserer krystallerne i tre dimensioner ved hjælp af en røntgenbilledteknik.

"Kvanteregistrering er baseret på de unikke egenskaber ved visse optisk aktive punktdefekter i halvledernanostrukturer, " sagde F. Joseph Heremans, en Argonne National Laboratory stab videnskabsmand og medforfatter på papiret.

Disse defekter, såsom nitrogen-vacancy (NV) centre i diamant, dannes, når et nitrogenatom erstatter et kulstofatom, der støder op til en ledig plads i diamantgitterstrukturen. De er ekstremt følsomme over for deres miljø, gør dem nyttige sonder for lokale temperaturer, samt elektriske og magnetiske felter, med en rumlig opløsning mere end 100 gange mindre end tykkelsen af ​​et menneskehår.

Fordi diamanter er biologisk inerte, kvantesensorer baseret på diamantnanopartikler, som kan fungere ved stuetemperatur og detektere flere faktorer samtidigt, kan endda placeres i levende celler, hvor de kunne, ifølge Heremans, "billedsystemer indefra og ud."

Heremans og hans kolleger, herunder Argonnes Wonsuk Cha og Paul Fuoss, samt David Awschalom fra University of Chicago, satte sig for at kortlægge fordelingen af ​​krystalstammen i nanodiamanter og spore helingen af ​​disse ufuldkommenheder ved at udsætte dem for høje temperaturer, op til 800 grader Celsius i et inert heliummiljø.

"Vores idé om 'helbredelse'-processen er, at huller i gitteret udfyldes, når atomerne bevæger sig rundt, når krystallen opvarmes til høje temperaturer, derved forbedrer homogeniteten af ​​krystalgitteret, "sagde Stephan Hruszkewycz, også en personaleforsker ved Argonne og hovedforfatter på papiret.

Denne nanodiamantheling blev overvåget med en 3-D mikroskopimetode kaldet Bragg kohærent diffraktionsbilleddannelse, udført ved at udsætte krystallerne for en sammenhængende røntgenstråle ved den avancerede fotonkilde ved Argonne. Røntgenstrålen, der spreder nanodiamanterne, blev opdaget og brugt til at rekonstruere 3-D-formen af ​​nanokrystallen, "og, vigtigere, spændingstilstanden af ​​krystallen, "Sagde Hruszkewycz.

Forskerne fandt ud af, at nanodiamanter "krymper" under højtemperaturglødningsprocessen, og formoder, at dette sker på grund af et fænomen, der kaldes grafitisering. Dette fænomen opstår, når materialets overflade omdannes fra det normale diamantgitterarrangement til grafit, et enkelt lag af kyllingetrådslignende arrangerede kulstofatomer.

Undersøgelsen markerer første gang, at Bragg kohærent diffraktionsbilleddannelse har vist sig at være nyttig ved så høje temperaturer, en evne, der Hruszkewycz sagde, "muliggør udforskningen af ​​strukturelle ændringer i vigtige nanokrystallinske materialer ved høje temperaturer, som er svære at få adgang til med andre mikroskopiteknikker."

Hruszkewycz tilføjede, at forskningen repræsenterer "et væsentligt skridt i retning af at udvikle skalerbare metoder til behandling af billige, kommercielle nanodiamanter til kvantefølelse og informationsbehandling. "