Kwantummechanica, de fysica die de natuur regeert op atomaire en subatomaire schaal, bevat een groot aantal nieuwe fysieke fenomenen om kwantumtoestanden op nanoschaal te onderzoeken. Hoewel lastig, er zijn manieren om deze inherent kwetsbare en gevoelige systemen te exploiteren voor kwantumdetectie. Een opkomende technologie in het bijzonder maakt gebruik van puntdefecten, of misplaatsingen van één atoom, in materialen op nanoschaal, zoals diamanten nanodeeltjes, om elektromagnetische velden te meten, temperatuur, druk, frequentie en andere variabelen met ongekende precisie en nauwkeurigheid.

Quantum sensing kan een revolutie teweegbrengen in de medische diagnostiek, ontwikkeling van nieuwe medicijnen mogelijk maken, het ontwerp van elektronische apparaten verbeteren en meer.

Voor gebruik in kwantumdetectie, het bulk nanodiamantkristal rond het puntdefect moet zeer perfect zijn. Elke afwijking van perfectie, zoals extra ontbrekende atomen, spanning in het kristalrooster van de diamant, of de aanwezigheid van andere onzuiverheden, zal het kwantumgedrag van het materiaal nadelig beïnvloeden. Zeer perfecte nanodiamanten zijn ook vrij duur en moeilijk te maken.

Een goedkoper alternatief, zeggen onderzoekers van het Argonne National Laboratory en de University of Chicago, is om defect gereden, lage kwaliteit, commercieel vervaardigde diamanten, en dan "genezen" ze.

In een artikel dat deze week is gepubliceerd in APL-materialen , van AIP Publishing, beschrijven de onderzoekers een methode om diamanten nanokristallen te genezen onder hoge temperatuuromstandigheden, terwijl de kristallen in drie dimensies worden gevisualiseerd met behulp van een röntgenbeeldvormingstechniek.

"Quantum sensing is gebaseerd op de unieke eigenschappen van bepaalde optisch actieve puntdefecten in halfgeleider nanostructuren, " zei F. Joseph Heremans, een stafwetenschapper van het Argonne National Laboratory en co-auteur van het papier.

deze gebreken, zoals de stikstof-leegstand (NV) centra in diamant, ontstaan ​​wanneer een stikstofatoom een ​​koolstofatoom vervangt dat grenst aan een leegte in de diamantroosterstructuur. Ze zijn extreem gevoelig voor hun omgeving, waardoor ze bruikbare sondes van lokale temperaturen zijn, evenals elektrische en magnetische velden, met een ruimtelijke resolutie die meer dan 100 keer kleiner is dan de dikte van een mensenhaar.

Omdat diamanten biologisch inert zijn, kwantumsensoren op basis van diamanten nanodeeltjes, die bij kamertemperatuur kan werken en verschillende factoren tegelijkertijd kan detecteren, kan zelfs in levende cellen worden geplaatst, waar ze konden, volgens Heremans, "beeldsystemen van binnenuit."

Heremans en zijn collega's, waaronder Wonsuk Cha van Argonne en Paul Fuoss, evenals David Awschalom van de Universiteit van Chicago, uiteengezet om de verdeling van de kristalstam in nanodiamanten in kaart te brengen en de genezing van deze onvolkomenheden te volgen door ze aan hoge temperaturen te onderwerpen, tot 800 graden Celsius in een inerte heliumomgeving.

"Ons idee van het 'genezingsproces' is dat gaten in het rooster worden opgevuld terwijl de atomen bewegen wanneer het kristal wordt verwarmd tot hoge temperaturen, waardoor de homogeniteit van het kristalrooster wordt verbeterd, " zei Stephan Hruszkewycz, ook een stafwetenschapper bij Argonne en hoofdauteur van het papier.

Deze genezing van nanodiamanten werd gevolgd met een 3D-microscopiemethode genaamd Bragg coherente diffractiebeeldvorming, uitgevoerd door de kristallen te onderwerpen aan een coherente röntgenstraal bij de Advanced Photon Source in Argonne. De röntgenstraal die de nanodiamanten verstrooit, werd gedetecteerd en gebruikt om de 3D-vorm van het nanokristal te reconstrueren, "en, belangrijker, de spanningstoestand van het kristal, ' zei Hruszkewycz.

De onderzoekers ontdekten dat nanodiamanten "krimpen" tijdens het gloeiproces bij hoge temperatuur, en veronderstel dat dit gebeurt vanwege een fenomeen dat grafitisatie wordt genoemd. Dit fenomeen doet zich voor wanneer het oppervlak van het materiaal wordt omgezet van de normale diamantroosterrangschikking in grafiet, een enkele laag kippengaasachtige gerangschikte koolstofatomen.

De studie markeert de eerste keer dat Bragg coherente diffractiebeeldvorming nuttig is gebleken bij zulke hoge temperaturen, een vermogen dat, Hruszkewycz zei, "maakt de verkenning van structurele veranderingen in belangrijke nanokristallijne materialen mogelijk bij hoge temperaturen die moeilijk toegankelijk zijn met andere microscopietechnieken."

Hruszkewycz voegde eraan toe dat het onderzoek "een belangrijke stap vertegenwoordigt in de richting van de ontwikkeling van schaalbare methoden voor het verwerken van goedkope, commerciële nanodiamanten voor kwantumdetectie en informatieverwerking."