Ondanks hun charme en allure, diamanten zijn zelden perfect. Ze hebben kleine gebreken die, aan universitair docent Nathalie de Leon, maken ze ooit zo aantrekkelijk. Deze fouten ter grootte van een atoom hebben een enorm potentieel in technologieën voor beeldvorming met hoge resolutie en veilige communicatielijnen.

"Historisch, mensen noemden deze defecten 'kleurcentra', want als je licht op een diamant schijnt, zie je een heleboel mooie kleuren terugkomen, zei de Leon, die is aangesteld bij de faculteit Elektrotechniek. Ze wil de eigenschappen van deze defecten benutten om moleculen en eiwitten in beeld te brengen.

Een diamant is een strak verweven rooster van koolstofatomen. Door een van de koolstoffen eruit te schoppen en een stikstofatoom in de buurt toe te voegen, de onderzoekers kunnen een defect creëren dat bekend staat als een 'stikstof-vacature-kleurcentrum'. Het stikstofatoom en de bungelende bindingen rond het ontbrekende koolstofatoom vormen een soort molecuul in een klein gebied van het diamantrooster. Dit gebied van de diamant fungeert als een groene oase in het midden van een woestijn, met heel andere eigenschappen dan de rest van het materiaal.

De Leon werkt aan het gebruik van een stikstof-vacature kleurcentrum nabij het oppervlak van een diamant om beelden van moleculen vast te leggen. De benadering maakt gebruik van een eigenschap van het defect die bekend staat als "spin, " wat analoog is aan het momentum van een tol. Deze spins interageren met het magnetische veld van het molecuul, die varieert van het ene deel van het molecuul tot het andere. De signalen van deze interacties kunnen worden verzameld en verwerkt om een ​​afbeelding te maken met een zeer hoge ruimtelijke resolutie - hoog genoeg om een ​​enkel DNA-molecuul af te beelden.

Om dit te laten werken, het enige signaal dat van het oppervlak van de diamant komt, moet dat van het kleurcentrum zijn. Maar dat is een moeilijke prestatie, als het moment dat de diamant wordt blootgesteld aan lucht, de oppervlakte-atomen hechten zich vast aan rondzwevende moleculen. Verder, het snijden of polijsten van een van de hardste materialen ter wereld brengt andere ongewenste defecten aan de oppervlakte.

Al deze extra signalen vertroebelen de meting. In feite, wanneer onderzoekers proberen de ongewenste defecten uit een eerste poetsmiddel te verwijderen, ze creëren onbedoeld meer defecten die opnieuw moeten worden verwijderd. "Je hebt een muisprobleem, dus je laat de katten los, en je hebt een kattenprobleem, dus je laat de honden los. Het gaat maar door, " zei de Leon. Het vinden van manieren om het diamantoppervlak te verbeteren is een voortdurend onderzoeksgebied, en de Leon hoopt dat een combinatie van chemische behandelingen en een omgeving met een hoge zuiverheid de slag kan slaan.

Kleurcentra voor communicatie

Hoewel deze kleurcentra uiteindelijk kunnen dienen als sensoren voor biologische toepassingen, ze kunnen ook de basis vormen voor nieuwe communicatienetwerken, die afluisteren onmogelijk zouden maken.

In kwantumcommunicatiesystemen, een afluisteraar zou een bericht niet kunnen lezen zonder de status ervan onmiddellijk te wijzigen, waardoor de poging om in het bericht te wrikken wordt blootgelegd. Het zou ook onmogelijk zijn om een ​​kwantumbericht te kopiëren.

Door de signalen robuust genoeg te maken om lange afstanden af ​​te leggen, is de ontwikkeling van kwantumtechnologieën tot stilstand gekomen. zei de Leon. Ze werkt aan het bouwen van een "repeater" die het signaal kan versterken en het via een kabel kan doorsturen totdat het zijn bestemming bereikt. Dit zou een materiaal vereisen dat in staat is om kwantumherinneringen te maken. Het materiaal zou het oorspronkelijke signaal opslaan en herstellen om het signaal door de kabels te sturen.

"Wat we zoeken is het hart van deze kwantumrepeater, " zei de Leon. Haar team ontdekte onlangs een kandidaat voor zo'n hart:een defect in een diamant in de vorm van een groot siliciumatoom dat tussen twee gaten in het rooster zweeft.

Het blijkt dat dit defect zeer goede ladings- en lichteigenschappen heeft, twee noodzakelijke ingrediënten voor een goed kwantumgeheugen. Het defect is ook beter bestand tegen interferentie door elektrische velden uit de omgeving dan andere benaderingen.