(The Nanowerk News) - Начиная от высокочувствительной регистрации магнитных полей, до обработки квантовой информации, ключом для ряда перспективных передовых технологий может явиться один из самых распространенных дефектов алмазов. Исследователи Берклийской национальной лаборатории (Berkeley National Laboratory, Berkeley Lab) и Калифорнийского университета (University of California, UC) в Беркли предприняли важный шаг на пути раскрытия этого ключа, впервые внимательно заглянув вглубь критически важных сверхскоростных процессов, происходящих в этих дефектах алмазов.
С помощью двухмерной электронной спектроскопии и пико- и фемто-секундной временной шкалы исследовательская группа под руководством Грэхема Флеминга (Graham Fleming), вице-ректора по исследованиям в Калифорнийском университете в Беркли и ученого из числа профессорско-преподавательского состава Отделения биофизических наук Лаборатории Беркли, провели беспрецедентные наблюдения за энергией, проходящей через включения в алмазе размером с атом, известные как азотно-замещенные вакансии (NV). Азотно-замещенная вакансия создается тогда, когда два соседних атома углерода в кристалле алмаза замещаются атомом азота и пустотой.
«Применение двухмерной электронной спектроскопии позволило нам в значительной мере составить картину движения потока энергии через азотно-замещенную вакансию в реальном времени и наблюдать за важными квантово-механическими эффектами, - говорит Флеминг. – Эти результаты могут найти широкое применение в магнитометрии, квантовой информации, нанофотонике, сенсорной и ультраскоростной спектроскопии».
Флеминг является ответственным автором доклада в Nature Physics, в котором описывается это исследование, озаглавленное «Вибрационная и электронная динамика азотно-замещенных вакансий в алмазах, зарегистрированных с помощью двухмерной ультраскоростной спектроскопии». Ведущим автором является Ванесса Хакстер (Vanessa Huxter), бывший член исследовательской группы Флеминга, а ныне – профессор Университета Аризоны (University of Arizona). Другими со-авторами являются Томас Оливер (Thomas Oliver) и Дмитрий Будкер (Dmitry Budker), оба из которых работают по совместительству в Лаборатории Беркли и Калифорнийском университете в Беркли.
График 2D электронной спектроскопии азотно-замещенной вакансии
Этот график 2D электронной спектроскопии азотно-замещенной вакансии показывает поглощение (ось х) и эмиссию (ось у) на 5 пикосекундах. Квадратная форма графика объясняется перераспределением энергии среди вибраций системы. По таким двухмерным графикам исследования могут вычленить различные динамические сигналы, включая квантовомеханические когерентности.
Эти результаты изменения с помощью 2D электронной спектроскопии явились для нас первым окном в ультраскоростную динамику азотно-замещенных вакансий в алмазах, - сказала Хакстер. – Мы смогли вести наблюдение за ранее скрытыми вибрационными и электронными свойствами системы азотно-замещенной вакансии, включая обнаружение вибрационных когерентностей продолжительностью около двух пикосекунд, что на квантовомеханической шкале является удивительно длительным».
Принимая во внимание повсеместное присутствие слабых магнитных волн, достаточно чувствительный детектор можно использовать для широкого ряда применений, включая медицинскую диагностику и лечебные процедуры, химические анализы, применение электроэнергии и в области национальной безопасности (для обнаружения взрывчатых веществ). Азотно-замещенные вакансии в алмазах считаются одними из самых наиболее чувствительных магнитных датчиков, существующих в диапазоне наношкалы. Азотно-замещенные вакансии в алмазах являются перспективными также для создания кубитов – данных, закодированных с помощью квантового спин-заряда, а не электрического заряда, что станет основой квантовой компьютерной техники. Кубиты могут хранить в геометрической прогрессии больше данных и обрабатывать их в миллиарды раз быстрее, чем классические компьютерные биты. Но для полного осуществления этих огромнейших перспектив, требуется гораздо более фундаментальное понимание динамики электронного состояния, при котором происходит возбуждение азотно-замещенных вакансий.
Со-автор Будкер, профессор физики Калифорнийского университета в Беркли, сотрудничающий с Отделением ядерной физики Лаборатории Беркли, и ведущий автор по физике азотно-замещенных вакансий, говорит: «Азотно-замещенные вакансии в алмазах становятся уже рабочей лошадкой в магнитометрии и других областях применения сенсорных устройств, но они остаются чем-то вроде черного ящика, так как мы до сих пор не понимаем некоторых важных свойств их уровней энергии и динамики. Полученные в этом исследовании результаты дают нам исходную точку для нового углубленного изучения таких критически важных явлений электронного состояния, как фазовая релаксация, спин-адресация и релаксация».
Данное исследование стало возможным благодаря методу 2D электронной спектроскопии, впервые разработанному Флемингом и его исследовательской группой для изучения квантовомеханических основ фотосинтеза. Этот ультраскоростной метод позволяет исследователям проследить перенос энергии между атомами или молекулами, которые образуют пары (соединяются) за счет своих электронных и вибрационных состояний. Отслеживание проводится как во времени, так и в пространстве. Оно сопровождается последовательными световыми вспышками от трех лазерных лучей, действующими на образец, в то время как четвертый луч служит в качестве локального осциллятора для усиления и согласования по фазе получаемых спектроскопических сигналов.
«Обеспечивая разрешающую способность по времени в фемтосекундах и нанометрическое пространственное разрешение, двухмерная электронная спектроскопия позволила нам одновременно следить за динамикой множества электронных состояний», - говорит Флеминг, который сравнил эту технологию с ранними радиоприемниками с преобразованием частоты.
В этом новом исследовании, применение двухмерной электронной спектроскопии показало, что вибрационные режимы азотно-замещенных вакансий в алмазах – предмет острого научного интереса ввиду того, что эти режимы оказывают непосредственное влияние на оптические свойства и свойства материалов, – в значительной мере связаны с дефектами.
«Мы смогли идентифицировать ряд отдельных вибрационных режимов и установили, что эти режимы почти все расположены в центрах дефектов и что они были когерентными –связанными квантовомеханически – в течение почти двух пикосекунд, - говорит Хакстер.
С помощью теории и наблюдений исследователи предположили, что вибрационные режимы азотно-замещенных вакансий были в основном расположены в местах дефектов, а наше непосредственное наблюдение вибраций и их связи с состояниями возбуждения подтверждают эту идею».
Кроме того, исследователям также удалось измерить нерадиоактивную релаксацию в состоянии возбуждения - это свойство, которое должно быть изучено и должно использоваться для создания кубитов.
«Мы установили, что временные рамки нерадиоактивной релаксации для центров азотно-замещенных вакансий в алмазах составляли около четырех пикосекунд, что оказалось медленнее, чем мы ожидали, принимая во внимание количество вибрационных состояний», - говорит Хакстер.
Информация, полученная в ходе этого исследования, должна позволить отрегулировать свойства центров азотно-замещенных вакансий в алмазах и открыть новые пути для исследований.
«Например, путем оптической накачки центров азотно-замещенных вакансий мы можем специфично возбуждать фотонные режимы на основании факторов их взаимовлияния, - говорит Флеминг. – Это позволило бы нам разработать бриллианты с центрами азотно-замещенных вакансий, которые можно использовать для квантового хранения и обработки информации на основе как фотонов, так и спинов».
