Когда атом азота находится рядом с пространством, освобожденным атомом углерода, он образует так называемый азотно-вакансионный (NV) центр. Теперь исследователи показали, как они могут создать больше NV-центров, что упрощает обнаружение магнитных полей, используя относительно простой метод, который можно применить во многих лабораториях. На этой неделе они описывают свои результаты в журнале Applied Physics Letters от AIP Publishing.
Зондирование магнитного поля представляет собой яркий пример важности этого зондирования. Зеленый свет может вызывать флуоресценцию и излучение красного света NV-центрами, но количество этой флуоресценции изменяется в присутствии магнитного поля. Измеряя яркость флуоресценции, алмазные NV-центры могут помочь определить напряженность магнитного поля.
Такое устройство может делать магнитные изображения различных типов образцов, в том числе горных пород и биологических тканей.Чувствительность этого типа магнитного обнаружения определяется концентрацией NV-центров, в то время как вакансии, не спаренные с азотом, создают шум.
Таким образом, эффективное преобразование вакансий в NV-центры, а также максимальное увеличение концентрации NV-центров играет ключевую роль в развитии этих методов обнаружения.Исследователи обычно покупают алмазы с примесью азота у отдельной компании. Затем они бомбардируют алмаз электронами, протонами или другими частицами, которые удаляют часть атомов углерода, оставляя после себя вакансии.
Наконец, процесс нагрева, называемый отжигом, подталкивает вакансии рядом с атомами азота с образованием NV-центров. Проблема в том, что облучение часто требует отправки образца в отдельное учреждение, что требует больших затрат времени и средств.«Особенность нашего подхода в том, что он очень прост и понятен», — сказал Дима Фарфурник из Еврейского университета в Иерусалиме в Израиле. «Вы получаете достаточно высокие концентрации NV, подходящие для многих приложений, с помощью простой процедуры, которую можно выполнить на месте».
Их метод использует бомбардировку электронами высокой энергии в просвечивающем электронном микроскопе (ТЕМ), инструменте, доступном многим исследователям, для локального создания NV-центров. Обычно ПЭМ используется для изображения материалов с субнанометровым разрешением, но его узкий электронный пучок также может облучать алмазы.
Другие показали, что ПЭМ могут создавать NV-центры в специализированных образцах алмазов, но исследователи в этом исследовании успешно протестировали метод на нескольких имеющихся в продаже образцах алмазов.В типичном необработанном образце менее 1 процента атомов азота образуют NV-центры.
Но с помощью ПЭМ исследователи увеличили эффективность преобразования до 10 процентов. В некоторых случаях образцы достигли предела насыщения, и дальнейшее облучение перестало быть эффективным.
Однако для других образцов исследователи не достигли этого предела, предполагая, что дополнительное облучение может еще больше повысить эффективность. С более высокой эффективностью преобразования и небольшими объемами облучения, возможными с помощью ПЭМ, такие устройства, как магнитные датчики, могут быть более компактными.
Чтобы убедиться, что метод не препятствует эффективности NV в таких приложениях, как обнаружение магнитных полей, исследователи подтвердили, что продолжительность времени, в течение которого NV-центры остаются в своих состояниях — время когерентности — не изменилась.Размещение достаточного количества NV-центров в алмазе позволило бы физикам исследовать квантовые взаимодействия между самими центрами.
Это исследование могло бы позволить создать уникальное квантовое состояние, называемое сжатым состоянием, которое никогда ранее не демонстрировалось в твердом теле, и могло бы подтолкнуть сенсорные возможности этих систем за пределы сегодняшних классических пределов.«Мы надеемся, что увеличение числа центров NV из-за облучения послужит отправной точкой для достижения этой долгосрочной и амбициозной цели», — сказал Фарфурник.