Millora de les capacitats de detecció dels diamants amb propietats quàntiques

El diamant pur consisteix en àtoms de carboni en una xarxa cristal·lina perfecta. Tanmateix, eliminant uns quants carbonis i canviant alguns altres per obtenir nitrogen, s'obté un diamant amb propietats sensibles quàntiques especials. Aquestes propietats són útils per a aplicacions d'informació quàntica i detecció de camps magnètics, i com a plataforma per investigar els misteris de la física quàntica.

Quan un àtom de nitrogen és al costat de l'espai desocupat per un àtom de carboni, forma el que es coneix com un Centre Vacant de Nitrogen (NV). Ara, els investigadors han demostrat com poden crear més centres NV, que faciliten la detecció de camps magnètics, utilitzant un mètode relativament senzill que es pot fer en molts laboratoris.
La detecció de camp magnètic representa un primer exemple de la importància d'aquesta detecció. La llum verda pot induir els centres NV a fluorescència i emetre llum vermella, però la quantitat d'aquesta fluorescència canvia en la presència d'un camp magnètic. Mitjançant la mesura de la brillantor de la fluorescència, els centres NV de diamants poden ajudar a determinar la força del camp magnètic. Aquest dispositiu pot fer que les imatges magnètiques d'un rang, estiguin incloses a les roques i el teixit biològic.
La sensibilitat d'aquest tipus de detecció magnètica està determinada per la concentració de centres NV, mentre que les vacants que no estan emparellades amb el nitrogen generen soroll. La conversió eficient de vacants en centres NV, per tant, a més de maximitzar la concentració de centres NV, té un paper clau en l'avanç d'aquests mètodes de detecció.

Els investigadors solen adquirir diamants amb nitrogen. A continuació, bombardegen el diamant amb electrons, protons o altres partícules, que eliminen alguns dels àtoms de carboni deixant vacants. Finalment, un procés de calefacció anomenat recuit, aguditza les vacants al costat dels àtoms de nitrogen per formar els centres NV. El problema és que la irradiació sovint requereix l'enviament de la mostra a una instal·lació separada, que és costosa i té molt de temps.
"El que és especial sobre el nostre enfocament és que és molt simple i molt senzill", va dir Dima Farfurnik de la Universitat Hebrea de Jerusalem a Israel. "Obteniu concentracions NV suficientment altes que són adequades per a moltes aplicacions amb un procediment senzill que es pot fer a casa".

El seu mètode utilitza un bombardeig d'electrons d'alta energia en un microscopi electrònic de transmissió (TEM), un instrument accessible per a molts investigadors, per crear localment centres NV. Normalment, un TEM s'utilitza per a la imatge de materials fins a les resolucions subnanòmetres, però el seu feix d'electrons estrets també pot irradiar diamants.
Uns altres han mostrat que els TEM poden crear centres NV en mostres de diamants especialitzades, però els investigadors d'aquest estudi van provar amb èxit el mètode en diverses mostres de diamants comercialment disponibles.

En una mostra típica, no tractada, menys d'un 1 per cent dels àtoms de nitrogen formen centres NV. Però mitjançant l'ús d'un TEM, els investigadors van augmentar aquesta eficiència de conversió fins a un 10 per cent. En determinats casos, les mostres van arribar al seu límit de saturació, i més irradiació ja no era efectiva. Per a altres mostres, però, els investigadors no van assolir aquest límit, el que suggereix que la irradiació addicional podria augmentar encara més les eficiències. Amb majors eficiències de conversió i petits volums d'irradiació amb un TEM, dispositius com els sensors magnètics podrien ser més compactes.
Per assegurar-se que el mètode no obstaculitzava l'efectivitat de les NV en aplicacions com la detecció de camps magnètics, els investigadors van confirmar que el temps de permanència dels centres NV en els seus estats -el temps de coherència- no va canviar.
Empaquetar els centres de NV suficients en un diamant permetria als físics investigar les interaccions quàntiques entre els propis centres. Aquesta investigació podria permetre la creació d'un estat quàntic únic anomenat estat exprimit, que mai s'ha demostrat abans en un sòlid i podria empènyer la capacitat de detecció d'aquests sistemes més enllà dels límits clàssics d'avui.
"Esperem que la millora de centres de NV a causa de la irradiació serveixi de primer pas per aquest objectiu a llarg termini i ambiciós", va dir Farfurnik.

Font: PHYSorg