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科学家发现金刚石缺陷可以确保数据传输和测量温度

2023-4-20 20:42 来自: 磨料磨具收藏邀请

具有色心的微金刚石具有独特的光物理性质。该研究在室温下发现了许多高压高温微金刚石的光致发光，其全宽半宽低至0.5 nm(波长630.15 nm≈390 GHz)。相关光谱学证明这些谱线来源于单光子发射器。对单个发射器的光致发 ...

具有色心的微金刚石具有独特的光物理性质。该研究在室温下发现了许多高压高温微金刚石的光致发光，其全宽半宽低至0.5 nm(波长630.15 nm≈390 GHz)。相关光谱学证明这些谱线来源于单光子发射器。对单个发射器的光致发光和光致发光激发光谱的研究表明，声子边带和窄带激发可以忽略不计。证明了温度灵敏度、稳定的光致发光、亮度、线性偏振和荧光寿命≈1.5–2.5 ns。结果表明，已发现的“神秘”发射器在量子光学、荧光标记和高分辨率测温学方面的应用具有巨大潜力。

图. 黑白图片显示了用扫描电子显微镜看到的微金刚石晶体。带有分散色斑的叠加蓝色方块是荧光显微镜图像，突出显示了该研究作者发现的新色中心。这些缺陷会在狭窄的光谱范围内重新发射先前吸收的光。也就是说，如右图所示，大部分发射发生在约630纳米的波长处。该峰的优点是清晰可辨，并且会根据环境温度而变化，从而使金刚石可用作远程温度传感器。

图片来源：Arthur Neliubov/Skoltech

来自Skoltech，莫斯科师范国立大学和其他研究中心的科学家在金刚石中发现了一类新的缺陷，可用于量子信息处理以及非常小的物体（如活细胞）内的精确和远程温度测量。这一发现以“Enigmatic color centers in microdiamonds with bright, stable, and narrow-band fluorescence” 为题发表在 Physical Review B 上。

色心是透明晶体(通常是金刚石)中各种性质缺陷的总称。一般来说，色心是一个外来原子，比如氮原子，与金刚石的晶格结合在一起，而附近的一个或多个碳原子则缺失。

色心之所以得名，是因为它们的光学特性。虽然金刚石本身对可见光是透明的，但色心是其中的斑点，具有技术吸引力的能力，可以吸收光并在相当窄的光谱带（即具有非常特定的颜色（波长））中有效地重新发射光。重要的是，色心可以有效地发射单光子。这种窄带单光子发射有几个潜在的应用。

单光子是量子光学和量子信息应用的基石。例如，这种光子对终极数据安全技术——量子加密——很有用。它使双方之间的信息传输安全，并涉及加密消息和密钥的交换。密钥需要通过安全通道传输，一些量子密钥分发协议需要单个不可区分光子的有效源。这意味着发射光子的参数，如偏振和波长，必须与高精度相吻合。

从色心发射光子的另一个令人兴奋的特性是发射光的波长对环境温度很敏感。这意味着这些缺陷产生的光子携带着金刚石所在环境温度的信息。考虑到科学家们可以制造出嵌入色心的纳米金刚石，就有可能制造出具有高空间和温度分辨率的非常小的温度计。根据研究人员的说法，这种温度传感在生物应用中效果很好。在其他研究中，纳米金刚石已经被引入细胞来研究内部温度变化。

“金刚石的色中心已经为人所知并研究了大约40年。就潜在的技术应用而言，我们发现的新品种具有优越的性能。也就是说，从我们中心发射的光谱范围比以前所有已知的色中心窄了近10倍。窄带发射和高亮度将使温度计更灵敏，”该研究的主要作者，Skoltech博士生Arthur Neliubov评论道。

他补充说，新色中心的另一个有趣的特性是窄带激发：它们不仅在窄光谱带发射光，而且还选择性地吸收光。在某种程度上，每个颜色中心，即使是同一类，都有一点不同，有一些应用程序可以利用这一点，以非常有针对性的方式引起它们的反应。一个例子是生物学中使用的一种被称为多色成像的分析技术，在这种技术中，“有缺陷的”微金刚石可以作为无毒、无放射性和高度独特的生物标志物派上用场。

到目前为止，新的色心是通过荧光光谱上的一组特征来识别的，这些特征表征了金刚石样品发出的光。然而，这些缺陷中心的实际性质尚不清楚。研究人员有一些猜测，但表示需要更多的研究。

“我们没有故意引入任何缺陷，但我们研究中报告的颜色中心在三个不同批次的纯合成微金刚石中仅略有变化，”Neliubov说。“微金刚石是通过高压、高温合成生产的，使用一种叫做金刚烷的有机化合物作为前体。这些颜色中心是否也出现在天然钻石和其他方法生产的合成钻石中还有待确定。”

该团队对新发现的色心的其他未来研究计划包括研究它们在极低温度下的光学特性。事实上，这可能会暴露出构成色心的晶格的物理缺陷。

根据该团队的说法，由于开发了一种新方法，这一发现成为可能。研究人员设法结合了两种不同的实验技术：扫描电子显微镜和荧光光谱。“这使我们能够标记最有趣的具有色心的微金刚石，并使用不同的设备在同一颗金刚石上进行多个系列的实验。此外，实验设置的高灵敏度使我们能够将分析放大到我们查看单个颜色中心的位置。这就是我们如何描述这种新型发射器，“Neliubov解释说。

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