Алмазную пыль удалось превратить в квантовые сенсоры

Фото из открытых источников

Физические свойства алмаза: уникальная твердость, особая теплопроводность, химическая стойкость — делают его востребованным не только в создании украшений, но и в промышленности. Но есть у него и квантовое измерение.

Кристаллическая решётка алмаза, состоящая из атомов углерода, может иметь точечные дефекты. Самым известным из них является NV-центр (азотно-вакансионный центр). Это зона, где один атом углерода замещается атомом азота, а соседнего атома углерода нет, что создаёт так называемую «вакансию».

Если на NV-центр направить зеленый свет, то он светится красным. Яркость такого свечения зависит от ситуации вокруг: как меняется магнитное поле, температура, давление, механическое напряжение. Что даёт возможность использовать NV-центры как наноразмерные датчики, которые могут считывать магнитные сигналы от отдельных молекул.

Проблема в том, что создание «квантовых» алмазов остаётся сложным и дорогим процессом. Обычно для него используются качественные монокристаллические алмазы, но они очень дефицитны и дороги. К тому же, NV-центры приходится формировать близко к поверхности алмаза, чтобы детектировать сигналы извне. Но технически это сложно.

Группой физиков из Австралии и Японии предложен альтернативный способ. Взамен дорогих монокристаллов они использовали алмазную пыль, что является отходами промышленных процессов. Этот дешевый материал удалось превратить в высококачественные наноалмазы с заданными квантовыми свойствами, причём, их можно производить в промышленных масштабах. О новом методе они рассказали на ресурсе csiro.au.

Механизм таков. Алмазную пыль облучают, чтобы выбить атомы углерода и создать «вакансии», а потом нагревают, чтобы последние мигрировали к атомам азота и создавали NV-центры. Основной сложностью остаётся контроль. NV-центры должны локализоваться на поверхности наночастиц, но не в глубине. Да и поверхность самих наноалмазов заметно влияет на стабильность, яркость и чувствительность сенсора.

Японские партнеры представили доступ к квантовым пучковым установкам и облучательным мощностям, которые отсутствуют в Австралии. Австралийская сторона в ответ привнесла экспертизу в наноматериалах, поверхностной химии и квантовом сенсоринге. Конечной целью проекта стало создание полностью автономного австралийского технологического процесса, не зависящего от глобальных цепочек поставок.

У новинки большой потенциал. Квантовые сенсоры на базе алмазных NV-центров функционируют при комнатной температур, тогда как большинство других требует охлаждения до криогенных температур. Это делает их оптимальными для портативных полевых приборов. Возможные применения: обнаружение вредных примесей в воде, ранняя идентификация биомаркеров болезней, мониторинг химических процессов в реальном времени, системы навигации, не зависящие от GPS, защита от угроз.

В последующем исследователи намерены сосредоточатся на улучшении воспроизводимости и контроля системы.