Учёные из Сколтеха, МПГУ и других научных организаций обнаружили новый класс дефектов в алмазе, которые могут быть полезны для технологий квантовой обработки информации и измерения температуры на расстоянии со сверхвысоким пространственным разрешением, в том числе внутри живых клеток. Исследование опубликовано в виде письма в журнале Physical Review B.
Центрами окраски называют дефекты с определёнными свойствами в прозрачном кристалле, в частности в алмазе. Физически центры окраски представляют собой различные конфигурации инородного атома, например азота или другого элемента таблицы Менделеева, в кристаллической решётке алмаза и одной или нескольких вакансий — отсутствующих атомов углерода.
Иллюстрация. 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. Источник: Артур Нелюбов/Сколтех
Название «центры окраски» связано с оптическими свойствами этих дефектов. Алмаз сам по себе прозрачен для видимого света, в то время как центры окраски обладают привлекательной с точки зрения технологических применений способностью поглощать и эффективно переизлучать свет (флуоресцировать) в узком частотном диапазоне, то есть чётко определённого цвета. Кроме того, важным свойством является возможность эффективного излучения одиночных фотонов. Существует ряд технологий, для которых возможность генерировать одиночные фотоны в узком спектральном диапазоне весьма полезна.
На манипуляциях с одиночными фотонами завязаны приложения в квантовой оптике и квантовой информатике. В частности, такое излучение может применяться в квантовой криптографии — в теории это наиболее 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. То есть характеристики излучаемых фотонов — поляризация, «цвет» и т. д. — должны совпадать с высокой точностью.
Другая ценная особенность центров окраски: в зависимости от того, какова температура среды, в которой они оказались, излучение меняется строго определённым образом. Грубо говоря, по цвету их излучения можно точно оценить температуру в точке, где находится алмаз с соответствующим дефектом. Таким образом, получая наноалмазы с центрами окраски, учёные создают крошечные термометры удалённого действия с высоким температурным и пространственным разрешением: они измеряют температуру точно и на очень малом пространственном масштабе. В частности, уже существуют исследования, в которых с помощью таких кристаллов с дефектами регистрировали изменения температуры и изучали особенности теплопроводности внутри биологических клеток.
«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», — прокомментировал результаты исследования его первый автор, аспирант Сколтеха Артур Нелюбов.
Учёный добавил, что у открытых коллективом центров окраски есть ещё одно любопытное свойство — узкополосное возбуждение. Они не только излучают свет в узком диапазоне, но и поглощают его тоже выборочно. То есть даже центры окраски одного класса немного отличаются друг от друга, и при желании к ним можно обращаться адресно. Например, в биологии есть метод экспериментального исследования образцов — мультицветная визуализация — для которого алмазы с такими дефектами будут весьма полезны в качестве специфических, нетоксичных, нерадиоактивных биомаркеров.
Пока научному коллективу не удалось точно идентифицировать природу данных центров. При этом учёные охарактеризовали их и показали наличие у них ряда характерных особенностей.
«В кристаллы на этапе синтеза не было преднамеренно внедрено никаких примесей, и тем не менее описанные в нашей статье центры окраски были обнаружены в образцах из трёх разных партий чистых микроалмазов, — рассказал Нелюбов. — 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».
Также в планы дальнейших исследований научного коллектива входит изучение оптических свойств открытых центров окраски при очень низких температурах. Как раз таким образом можно получить больше информации о структуре энергетических уровней, и, следовательно, строить 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. «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», — пояснил Нелюбов.
Помимо учёных из Сколковского института науки и технологий и Московского педагогического государственного университета, в исследовании принимали участие сотрудники трёх институтов Российской академии наук: Института спектроскопии, Института физики высоких давлений и Физического института имени П. Н. Лебедева.