Japanse onderzoekers hebben het ontwerp van in het laboratorium gekweekte, synthetische diamanten. Dit brengt de nieuwe technologie een stap dichter bij het verbeteren van biosensing-toepassingen, zoals magnetische beeldvorming van de hersenen. De voordelen van deze gelaagde, sandwichachtig, diamantstructuur worden beschreven in een recent nummer van Technische Natuurkunde Brieven .

Chemische processen worden gebruikt om grote diamanten platen te maken voor industriële toepassingen. Kunstdiamanten kunnen op verschillende oppervlakken worden gekweekt om de hardheid te vergroten en de slijtage van gereedschappen te verminderen, of om te profiteren van de hoge thermische geleidbaarheid van diamant als koellichaam voor elektronica. Wetenschappers kunnen de eigenschappen van kunstmatige diamanten manipuleren door hun chemische samenstelling te veranderen. Deze chemische manipulatie wordt doping genoemd. Deze "gedoteerde" diamanten blijken een goedkoop alternatief materiaal te zijn voor een reeks technologieën - van kwantuminformatie tot biosensing - die anders onbetaalbaar zouden zijn geweest om te ontwikkelen.

Diamanten die zijn ontworpen met stikstof-vacature (NV)-centra die veranderingen in magnetische velden kunnen detecteren, zijn een krachtig hulpmiddel voor biosensing-technologieën en worden gebruikt bij de medische detectie en diagnose van ziekten. Bijvoorbeeld, magneto-encefalografie (MEG) is een neuroimaging-techniek die wordt gebruikt om hersenactiviteit in kaart te brengen en pathologische afwijkingen op te sporen, zoals epileptisch weefsel.

"MEG is in de handel verkrijgbaar en wordt in sommige ziekenhuizen gebruikt, maar is erg duur, dus er worden niet veel MEG's gebruikt, " zei Norikazu Mizuochi, een auteur op papier. Mizuochi legde uit dat het gebruik van diamanten met NV-centra de apparatuurkosten van MEG-diagnoses zou verlagen.

Echter, deze biosensing-technologieën vereisen lichtactivering, die het wisselen van lading in NV-centra veroorzaakt. Neutrale NV-centra kunnen magnetische velden niet nauwkeurig detecteren, dus de introductie van schakelen blijft een uitdaging voor diamantgebruik. "Alleen de min [negatieve] lading kan worden gebruikt voor dergelijke detectietoepassingen, daarom is het stabiliseren van [NV]-centra belangrijk voor de operatie, ' zei Mizuochi.

De onderzoekers hadden eerder een eenvoudige diamantstructuur gedoteerd met fosfor om de NV-centra te stabiliseren. Fosfordoping duwde meer dan 90 procent van de NV-centra naar de negatieve ladingstoestand, detectie van magnetische velden mogelijk maken. Echter, de fosfor introduceerde ruis in de uitlezing, het positieve resultaat tenietdoen.

In dit onderzoek, het team paste het diamantontwerp aan om de stabilisatie van negatieve NV-centra te behouden, maar verwijderde de door fosfor veroorzaakte ruis. Ze gebruikten een gelaagde structuur, als een boterham, met met fosfor gedoteerde diamant als brood, en omsloten een 10μm dikke NV-center diamantvulling. Dit stabiliseerde 70-80 procent van de NV-centra in de negatieve ladingstoestand, terwijl de ruis die eerder in het systeem werd waargenomen, wordt verminderd.

"Momenteel, we hebben zojuist stabilisatie aangetoond, maar we verwachten dat het ook de gevoeligheid zal verbeteren, " zei Mizuochi. Zijn team test momenteel de gevoeligheid van het nieuwe ontwerp voor veranderingen in magnetische velden, en in de hoop dat deze structuur zou kunnen worden gebruikt voor biosensing-toepassingen zoals MEG.