Ученые из Сколтеха, МПГУ и других научных организаций обнаружили новый класс дефектов в алмазе, которые могут быть полезны для технологий квантовой обработки информации и измерения температуры на расстоянии со сверхвысоким пространственным разрешением, в том числе внутри живых клеток.
Исследование опубликовано в виде письма в журнале Physical Review B. Центрами окраски называют дефекты с определенными свойствами в прозрачном кристалле, в частности в алмазе. Физически центры окраски представляют собой различные конфигурации инородного атома, например азота или другого элемента таблицы Менделеева, в кристаллической решетке алмаза и одной или нескольких вакансий — отсутствующих атомов углерода.
Название «центры окраски» связано с оптическими свойствами этих дефектов. Алмаз сам по себе прозрачен для видимого света, в то время как центры окраски обладают привлекательной с точки зрения технологических применений способностью поглощать и эффективно переизлучать свет (флуоресцировать) в узком частотном диапазоне, то есть четко определенного цвета. Кроме того, важным свойством является возможность эффективного излучения одиночных фотонов. Существует ряд технологий, для которых возможность генерировать одиночные фотоны в узком спектральном диапазоне весьма полезна.
На манипуляциях с одиночными фотонами завязаны приложения в квантовой оптике и квантовой информатике. В частности, такое излучение может применяться в квантовой криптографии — в теории это наиболее безопасный вариант передачи информации. Отправитель и получатель обмениваются зашифрованными посланиями и ключами для их декодирования. При этом ключи должны передаваться по защищенному каналу, и некоторые протоколы их передачи требуют эффективного источника одиночных неразличимых фотонов. То есть характеристики излучаемых фотонов — поляризация, «цвет» и так далее — должны совпадать с высокой точностью.
Другая ценная особенность центров окраски: в зависимости от того, какова температура среды, в которой они оказались, излучение меняется строго определенным образом. Грубо говоря, по цвету их излучения можно точно оценить температуру в точке, где находится алмаз с соответствующим дефектом. Таким образом, получая наноалмазы с центрами окраски, ученые создают крошечные термометры удаленного действия с высоким температурным и пространственным разрешением: они измеряют температуру точно и на очень малом пространственном масштабе. В частности, уже существуют исследования, в которых с помощью таких кристаллов с дефектами регистрировали изменения температуры и изучали особенности теплопроводности внутри биологических клеток.
«Центры окраски в алмазе известны ученым и активно исследуются уже около 30 лет. Новый класс дефектов, который мы обнаружили, обладает наиболее привлекательными оптическими свойствами по сравнению с другими широко известными дефектами в алмазах: дело в том, что бо́льшая часть излучения обнаруженных центров окраски приходится на крайне узкий спектральный диапазон, примерно в 10 раз уже, чем у известных ранее. Этот факт в сочетании с довольно высокой стабильностью и интенсивностью излучения говорит о том, что с их использованием можно проводить локальные измерения температуры с повышенной точностью», — прокомментировал результаты исследования его первый автор, аспирант Сколтеха Артур Нелюбов.
