Pure diamant bestaat uit koolstofatomen in een perfect kristalrooster. Maar verwijder een paar koolstoffen en verwissel enkele andere voor stikstof, en je krijgt een diamant met speciale kwantumgevoelige eigenschappen. Deze eigenschappen zijn nuttig voor toepassingen van kwantuminformatie en het detecteren van magnetische velden, en als een platform voor het onderzoeken van de mysteries van de kwantumfysica.

Wanneer een stikstofatoom zich naast de ruimte bevindt die vrijkomt door een koolstofatoom, het vormt een zogenaamd stikstof-leegstand (NV) centrum. Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben laten zien hoe ze meer NV-centra kunnen creëren, waardoor het detecteren van magnetische velden gemakkelijker wordt, met behulp van een relatief eenvoudige methode die in veel laboratoria kan worden gedaan. Ze beschrijven hun resultaten deze week in Technische Natuurkunde Brieven .

Magnetische velddetectie is een goed voorbeeld van het belang van deze detectie. Groen licht kan de NV-centra ertoe aanzetten om te fluoresceren en rood licht uit te zenden, maar de hoeveelheid van deze fluorescentie verandert in aanwezigheid van een magnetisch veld. Door de helderheid van de fluorescentie te meten, Diamond NV-centra kunnen helpen bij het bepalen van de magnetische veldsterkte. Zo'n apparaat kan magnetische afbeeldingen maken van verschillende soorten monsters, inclusief stenen en biologisch weefsel.

De gevoeligheid van dit type magnetische detectie wordt bepaald door de concentratie van NV-centra, terwijl vacatures die niet gepaard gaan met stikstof ruis veroorzaken. Efficiënte omzetting van vacatures naar NV-centra, daarom, evenals het maximaliseren van de concentratie van NV-centra, speelt een sleutelrol bij het bevorderen van deze detectiemethoden.

Onderzoekers kopen doorgaans met stikstof gedoteerde diamanten van een afzonderlijk bedrijf. Vervolgens bombarderen ze de diamant met elektronen, protonen of andere deeltjes, die een deel van de koolstofatomen weghalen, leegstand achterlaten. Eindelijk, een verwarmingsproces genaamd gloeien duwt de vacatures naast de stikstofatomen om de NV-centra te vormen. Het probleem is dat voor bestraling uw monster vaak naar een aparte faciliteit moet worden gestuurd, wat duur en tijdrovend is.

"Het bijzondere aan onze aanpak is dat het heel eenvoudig en heel duidelijk is, "Zei Dima Farfurnik van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem in Israël. "Je krijgt voldoende hoge NV-concentraties die geschikt zijn voor veel toepassingen met een eenvoudige procedure die in-house kan worden uitgevoerd."

Hun methode maakt gebruik van elektronenbombardement met hoge energie in een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM), een instrument dat voor veel onderzoekers toegankelijk is, om lokaal NV-centra te creëren. Normaal gesproken, een TEM wordt gebruikt om materialen af ​​te beelden tot subnanometerresoluties, maar zijn smalle elektronenbundel kan ook diamanten bestralen.

Anderen hebben aangetoond dat TEM's NV-centra kunnen creëren in gespecialiseerde diamantmonsters, maar de onderzoekers in deze studie hebben de methode met succes getest op verschillende in de handel verkrijgbare diamantmonsters.

In een typische, onbehandeld monster, minder dan 1 procent van de stikstofatomen vormen NV-centra. Maar door een TEM te gebruiken, de onderzoekers verhoogden deze conversie-efficiëntie tot wel 10 procent. In bepaalde gevallen, de monsters bereikten hun verzadigingslimiet, en meer bestraling was niet langer effectief. Voor andere monsters, echter, de onderzoekers hebben deze limiet niet bereikt, wat suggereert dat extra bestraling de efficiëntie verder zou kunnen verhogen. Met een hogere conversie-efficiëntie, en kleine bestralingsvolumes mogelijk met een TEM, apparaten zoals magnetische sensoren kunnen compacter zijn.

Om ervoor te zorgen dat de methode de effectiviteit van NV's niet belemmerde in toepassingen zoals het detecteren van magnetische velden, de onderzoekers bevestigden dat de tijd dat de NV-centra in hun staat blijven - de coherentietijd - niet veranderde.

Door voldoende NV-centra in een diamant te verpakken, zouden natuurkundigen de kwantuminteracties tussen de centra zelf kunnen onderzoeken. Dit onderzoek zou de creatie van een unieke kwantumtoestand mogelijk maken, een zogenaamde geperste toestand, wat nog nooit eerder in een solide is aangetoond en de detectiemogelijkheden van deze systemen de klassieke limieten van vandaag zou kunnen overstijgen.

"We hopen dat het toegenomen aantal NV-centra als gevolg van bestraling als een springplank zal dienen voor dit ambitieuze doel op lange termijn, ' zei Farfurnik.