科學(xué)家發(fā)現(xiàn)金剛石缺陷可以確保數(shù)據(jù)傳輸和測量溫度

具有色心的微金剛石具有獨(dú)特的光物理性質(zhì)。該研究在室溫下發(fā)現(xiàn)了許多高壓高溫微金剛石的光致發(fā)光，其全寬半寬低至0.5 nm(波長630.15 nm≈390 GHz)。相關(guān)光譜學(xué)證明這些譜線來源于單光子發(fā)射器。對(duì)單個(gè)發(fā)射器的光致發(fā)光和光致發(fā)光激發(fā)光譜的研究表明，聲子邊帶和窄帶激發(fā)可以忽略不計(jì)。證明了溫度靈敏度、穩(wěn)定的光致發(fā)光、亮度、線性偏振和熒光壽命≈1.5–2.5 ns。結(jié)果表明，已發(fā)現(xiàn)的“神秘”發(fā)射器在量子光學(xué)、熒光標(biāo)記和高分辨率測溫學(xué)方面的應(yīng)用具有巨大潛力。

圖. 黑白圖片顯示了用掃描電子顯微鏡看到的微金剛石晶體。帶有分散色斑的疊加藍(lán)色方塊是熒光顯微鏡圖像，突出顯示了該研究作者發(fā)現(xiàn)的新色中心。這些缺陷會(huì)在狹窄的光譜范圍內(nèi)重新發(fā)射先前吸收的光。也就是說，如右圖所示，大部分發(fā)射發(fā)生在約630納米的波長處。該峰的優(yōu)點(diǎn)是清晰可辨，并且會(huì)根據(jù)環(huán)境溫度而變化，從而使金剛石可用作遠(yuǎn)程溫度傳感器。

圖片來源：Arthur Neliubov/Skoltech

來自Skoltech，莫斯科師范國立大學(xué)和其他研究中心的科學(xué)家在金剛石中發(fā)現(xiàn)了一類新的缺陷，可用于量子信息處理以及非常小的物體（如活細(xì)胞）內(nèi)的精確和遠(yuǎn)程溫度測量。這一發(fā)現(xiàn)以“Enigmatic color centers in microdiamonds with bright, stable, and narrow-band fluorescence” 為題發(fā)表在Physical Review B上。

色心是透明晶體(通常是金剛石)中各種性質(zhì)缺陷的總稱。一般來說，色心是一個(gè)外來原子，比如氮原子，與金剛石的晶格結(jié)合在一起，而附近的一個(gè)或多個(gè)碳原子則缺失。

色心之所以得名，是因?yàn)樗鼈兊墓鈱W(xué)特性。雖然金剛石本身對(duì)可見光是透明的，但色心是其中的斑點(diǎn)，具有技術(shù)吸引力的能力，可以吸收光并在相當(dāng)窄的光譜帶（即具有非常特定的顏色（波長））中有效地重新發(fā)射光。重要的是，色心可以有效地發(fā)射單光子。這種窄帶單光子發(fā)射有幾個(gè)潛在的應(yīng)用。

單光子是量子光學(xué)和量子信息應(yīng)用的基石。例如，這種光子對(duì)終極數(shù)據(jù)安全技術(shù)——量子加密——很有用。它使雙方之間的信息傳輸安全，并涉及加密消息和密鑰的交換。密鑰需要通過安全通道傳輸，一些量子密鑰分發(fā)協(xié)議需要單個(gè)不可區(qū)分光子的有效源。這意味著發(fā)射光子的參數(shù)，如偏振和波長，必須與高精度相吻合。

從色心發(fā)射光子的另一個(gè)令人興奮的特性是發(fā)射光的波長對(duì)環(huán)境溫度很敏感。這意味著這些缺陷產(chǎn)生的光子攜帶著金剛石所在環(huán)境溫度的信息?？紤]到科學(xué)家們可以制造出嵌入色心的納米金剛石，就有可能制造出具有高空間和溫度分辨率的非常小的溫度計(jì)。根據(jù)研究人員的說法，這種溫度傳感在生物應(yīng)用中效果很好。在其他研究中，納米金剛石已經(jīng)被引入細(xì)胞來研究內(nèi)部溫度變化。

“金剛石的色中心已經(jīng)為人所知并研究了大約40年。就潛在的技術(shù)應(yīng)用而言，我們發(fā)現(xiàn)的新品種具有優(yōu)越的性能。也就是說，從我們中心發(fā)射的光譜范圍比以前所有已知的色中心窄了近10倍。窄帶發(fā)射和高亮度將使溫度計(jì)更靈敏，”該研究的主要作者，Skoltech博士生Arthur Neliubov評(píng)論道。

他補(bǔ)充說，新色中心的另一個(gè)有趣的特性是窄帶激發(fā)：它們不僅在窄光譜帶發(fā)射光，而且還選擇性地吸收光。在某種程度上，每個(gè)顏色中心，即使是同一類，都有一點(diǎn)不同，有一些應(yīng)用程序可以利用這一點(diǎn)，以非常有針對(duì)性的方式引起它們的反應(yīng)。一個(gè)例子是生物學(xué)中使用的一種被稱為多色成像的分析技術(shù)，在這種技術(shù)中，“有缺陷的”微金剛石可以作為無毒、無放射性和高度獨(dú)特的生物標(biāo)志物派上用場。

到目前為止，新的色心是通過熒光光譜上的一組特征來識(shí)別的，這些特征表征了金剛石樣品發(fā)出的光。然而，這些缺陷中心的實(shí)際性質(zhì)尚不清楚。研究人員有一些猜測，但表示需要更多的研究。

“我們沒有故意引入任何缺陷，但我們研究中報(bào)告的顏色中心在三個(gè)不同批次的純合成微金剛石中僅略有變化，”Neliubov說?！拔⒔饎偸峭ㄟ^高壓、高溫合成生產(chǎn)的，使用一種叫做金剛烷的有機(jī)化合物作為前體。這些顏色中心是否也出現(xiàn)在天然鉆石和其他方法生產(chǎn)的合成鉆石中還有待確定?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)對(duì)新發(fā)現(xiàn)的色心的其他未來研究計(jì)劃包括研究它們?cè)跇O低溫度下的光學(xué)特性。事實(shí)上，這可能會(huì)暴露出構(gòu)成色心的晶格的物理缺陷。

根據(jù)該團(tuán)隊(duì)的說法，由于開發(fā)了一種新方法，這一發(fā)現(xiàn)成為可能。研究人員設(shè)法結(jié)合了兩種不同的實(shí)驗(yàn)技術(shù)：掃描電子顯微鏡和熒光光譜。“這使我們能夠標(biāo)記最有趣的具有色心的微金剛石，并使用不同的設(shè)備在同一顆金剛石上進(jìn)行多個(gè)系列的實(shí)驗(yàn)。此外，實(shí)驗(yàn)設(shè)置的高靈敏度使我們能夠?qū)⒎治龇糯蟮轿覀儾榭磫蝹€(gè)顏色中心的位置。這就是我們?nèi)绾蚊枋鲞@種新型發(fā)射器，“Neliubov解釋說。

審核編輯 ：李倩