El diamante puro consiste en átomos de carbono en una red cristalina perfecta. Pero elimine algunos carbonos e intercambie otros por nitrógeno, y obtendrá un diamante con propiedades especiales de detección cuántica. Estas propiedades son útiles para aplicaciones de información cuántica y para detectar campos magnéticos, y como plataforma para explorar los misterios de la física cuántica.
Cuando un átomo de nitrógeno está al lado del espacio desocupado por un átomo de carbono, forma lo que se llama un centro de vacante de nitrógeno NV. Ahora, los investigadores han demostrado cómo pueden crear más centros NV, lo que facilita la detección de campos magnéticos., utilizando un método relativamente simple que se puede hacer en muchos laboratorios. Describen sus resultados esta semana en letras de física aplicada , de AIP Publishing.
La detección de campo magnético presenta un excelente ejemplo de la importancia de esta detección. La luz verde puede inducir a los centros NV a fluorescer y emitir luz roja, pero la cantidad de esta fluorescencia cambia en presencia de un campo magnético. Al medir el brillo dela fluorescencia, los centros de diamante NV pueden ayudar a determinar la intensidad del campo magnético. Tal dispositivo puede hacer imágenes magnéticas de una variedad de tipos de muestras, incluidas rocas y tejidos biológicos.
La sensibilidad de este tipo de detección magnética está determinada por la concentración de centros NV mientras que las vacantes que no están emparejadas con nitrógeno crean ruido. Por lo tanto, la conversión eficiente de vacantes en centros NV, así como la maximización de la concentración de centros NV, juegaun papel clave en el avance de estos métodos de detección.
Los investigadores suelen comprar diamantes dopados con nitrógeno de una compañía separada. Luego bombardean el diamante con electrones, protones u otras partículas, que eliminan algunos de los átomos de carbono, dejando vacantes. Finalmente, un proceso de calentamiento llamado recocido empuja las vacantesjunto a los átomos de nitrógeno para formar los centros NV. El problema es que la irradiación a menudo requiere enviar su muestra a una instalación separada, lo cual es costoso y requiere mucho tiempo.
"Lo especial de nuestro enfoque es que es muy simple y muy directo", dijo Dima Farfurnik de la Universidad Hebrea de Jerusalén en Israel. "Se obtienen concentraciones NV suficientemente altas que son apropiadas para muchas aplicaciones con un procedimiento simple que puedehacerse en la casa "
Su método utiliza el bombardeo electrónico de alta energía en un microscopio electrónico de transmisión TEM, un instrumento accesible para muchos investigadores, para crear centros NV localmente. Normalmente, un TEM se utiliza para obtener imágenes de materiales con resoluciones subnanométricas, pero su haz de electrones estrechotambién puede irradiar diamantes.
Otros han demostrado que los TEM pueden crear centros NV en muestras de diamantes especializadas, pero los investigadores de este estudio probaron con éxito el método en varias muestras de diamantes disponibles comercialmente.
En una muestra típica no tratada, menos del 1 por ciento de los átomos de nitrógeno forman centros NV. Pero al usar un TEM, los investigadores aumentaron esta eficiencia de conversión hasta un 10 por ciento. En ciertos casos, las muestras alcanzaron su límite de saturación, y más irradiación ya no era efectiva. Sin embargo, para otras muestras, los investigadores no alcanzaron este límite, lo que sugiere que la irradiación adicional podría aumentar aún más la eficiencia. Con mayores eficiencias de conversión y pequeños volúmenes de irradiación posibles con un TEM, dispositivos como magnéticoslos sensores podrían ser más compactos.
Para asegurarse de que el método no obstaculizara la efectividad de los NV en aplicaciones como la detección de campos magnéticos, los investigadores confirmaron que el tiempo que los centros NV permanecen en sus estados, el tiempo de coherencia, no cambió.
Empacar suficientes centros NV en un diamante permitiría a los físicos probar las interacciones cuánticas entre los centros mismos. Esta investigación podría permitir la creación de un estado cuántico único llamado estado comprimido, que nunca antes se había demostrado en un sólido y podría empujarlas capacidades de detección de estos sistemas más allá de los límites clásicos actuales.
"Esperamos que el número mejorado de centros de NV debido a la irradiación sirva como un trampolín para este objetivo ambicioso a largo plazo", dijo Farfurnik.
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Materiales proporcionados por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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