Эти «недостатки» приводят к неожиданным и привлекательным свойствам, которые привлекли внимание к таким алмазам как к многообещающим кандидатам на различные технологические достижения.Результаты, опубликованные в журнале Nature Physics, могут помочь ученым лучше понять свойства этих алмазов, которые имеют потенциальные применения, начиная от квантовых вычислений и заканчивая отображением отдельных атомов в молекулах.Дефектные центры — это места в повторяющейся решетке атомов углерода, где другие элементы заняли место атомов углерода.
Такие дефекты создают, например, канареечные алмазы, в которых атомы азота заменяют атомы углерода. В случае вакансии азота атом азота находится рядом с пустым слотом, в котором отсутствует атом углерода.«Некоторые из этих дефектов обладают интересными оптическими и электронными свойствами», — сказал Хакстер, который недавно присоединился к Департаменту химии и биохимии UA и руководил исследованием во время постдокторской стипендии, финансируемой Советом естественных и инженерных исследований Канады. Хакстер проводил исследование с соавторами Грэмом Флемингом и Дмитрием Будкером в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США и Калифорнийском университете в Беркли.
Хакстер сказал, что, поскольку дефекты вакансий азота можно манипулировать с помощью оптических методов, таких как лазеры, их можно использовать для вычислений, хранения данных, зондирования и даже передовых методов визуализации, способных выявить структуру молекул.«Чтобы использовать эту систему для этих приложений, мы должны понять ее фундаментальные свойства», — сказал Хакстер, команда которого первой изучает сверхбыструю динамику этих кристаллов в реальном времени. «Чтобы использовать эти системы для квантовых вычислений, вы должны иметь некоторое представление о том, что мы называем колебательными модами, потому что они определяют локальную среду и могут быть использованы для обработки информации».Чтобы понять, что это означает, нужно представить себе кристаллическую структуру алмаза: трехмерную решетку атомов углерода, образующих высокоупорядоченную и повторяющуюся структуру.
Но атомы не приклеены на место. Скорее, они колеблются взад и вперед, как будто связаны крошечными пружинами.
Везде, где дефект в виде вакансии азота нарушает однородную решетку углерода, колебательные свойства меняются способами, которыми можно манипулировать, например, с помощью лазерных импульсов.«Мы используем лазерный свет, чтобы увидеть, что происходит в системе», — сказал Хакстер. «Когда мы ударяем по этим предметам сверхбыстрыми импульсами, это похоже на удары молотка. Мы вкладываем много энергии в систему и наблюдаем, как эта энергия течет через нее».Лазерный импульс выбивает электроны в центрах вакансий азота на более высокий уровень энергии, который физики называют возбужденным состоянием.
Со временем электроны возвращаются в свое основное состояние в процессе, называемом релаксацией, рассеивая при этом энергию в свое окружение.Чтобы увидеть, как вибрации влияют на сверхбыструю релаксацию системы, команда Хакстера использовала сверхбыстрые лазерные импульсы, потому что релаксация происходит в масштабе времени в несколько наносекунд — миллиардных долей секунды.То, как именно эта энергия движется через кристалл и как она влияет на колебания вокруг центров азотных вакансий, имеет решающее значение для выяснения того, как извлечь выгоду из ее свойств, но никто никогда не мог наблюдать этот процесс раньше.«Это первый раз, когда мы смогли напрямую наблюдать колебательный спектр системы в реальном времени», — сказал Хакстер.
Со своей командой она использовала двумерную электронную спектроскопию, в основном способ создания двумерных «карт» корреляции, которые позволяют исследователям наблюдать за системой, когда она расслабляется до основного состояния.«Думайте об этом как о сверхскоростной фотографии, чтобы заморозить действие на шкале атомов и молекул», — сказал Хакстер. «Мы можем наблюдать за потоком энергии через систему в реальном времени и делать снимки по пути.
Мы можем видеть, куда энергия входит и где выходит».В мире сверхбыстрой спектроскопии, которая напоминает первую высокоскоростную фотографию, разработанную Эдвардом Мейбриджем в начале 20-го века для остановки движения скачущих лошадей, «наносекунды похожи на миллион лет», — сказал Хакстер, благодаря лазерным импульсам. длительностью всего фемтосекунды.
Фемтосекунда — это одна миллионная одной миллиардной секунды. «В наших экспериментах мы смогли наблюдать локальные колебания дефекта с фемтосекундным временным разрешением. Возможность напрямую отслеживать эти колебания привела к некоторым удивительным новым результатам, включая то, что эти колебания квантово-механически когерентны в течение тысяч фемтосекунд».
«Мы задаемся вопросом: что происходит, когда вы начинаете заменять атомы в кристалле?» Хакстер объяснил. «Сможете ли вы изменить упругие свойства? Каждый центр азотной вакансии подобен более мягкой области, в которую можно ткнуть.
Они поглощают лазерную энергию там, где раньше не было поглощения, и мы видим все эти дополнительные колебательные моды, которых мы не видим в остальной части кристалла ".«В нашем сценарии алмаз похож на чистое окно. Мы смотрим сквозь него и видим только дефекты.
Мы адаптируем наш лазерный импульс к поглощению дефектов».