Алмаз как датчик: деформация кристалла позволила измерять магнитные поля с рекордной точностью

Исследователи открыли новый способ управления квантовыми свойствами крошечных дефектов в алмазе — путём мягкого растяжения или сжатия кристалла. Эти открытия могут проложить путь к созданию датчиков нового поколения, способных с беспрецедентной точностью регистрировать давление, температуру и другие физические изменения.

Дефекты в алмазе, известные как «цветные центры», всё чаще используются в квантовых технологиях, включая сверхчувствительные датчики и развивающиеся системы квантовой связи. Среди них кремний-вакантные центры (SiV) выделяются исключительно стабильным и ярким свечением, что делает их потенциально важными компонентами квантовых устройств.

Международная исследовательская группа под руководством учёных из Сингапурского университета технологии и дизайна (SUTD) и Университета Янчжоу (Китай) изучила, как эти центры SiV реагируют на сжатие или растяжение окружающей алмазной решётки.

Используя передовые методы компьютерного моделирования, команда систематически изучала, как атомная структура и оптические сигналы дефекта изменяются при различных механических воздействиях. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Physics Letters.

Их результаты свидетельствуют о неожиданно разнообразном поведении. При сжатии алмаза дефект остаётся стабильным и сохраняет свою первоначальную симметрию. Однако при растяжении за пределы критического порога — примерно 4% удлинения — дефект претерпевает структурную трансформацию, теряя первоначальную симметрию и принимая новую конфигурацию.

Этот переход напрямую влияет на то, как дефект взаимодействует со светом. Исследователи обнаружили, что ключевые оптические характеристики, включая цвет и интенсивность излучаемого света, плавно и предсказуемо изменяются при деформации материала.

Такое поведение делает центры SiV весьма привлекательными в качестве наноразмерных датчиков. Поскольку оптический отклик непрерывно изменяется при деформации, эти дефекты можно использовать для мониторинга давления или деформации с чрезвычайно высокой чувствительностью — потенциально на уровне отдельных наноструктур.

Помимо оптических сигналов, в ходе исследования были изучены и магнитные свойства дефекта, которые важны для таких методов, как электронный спиновый резонанс. Было обнаружено, что эти свойства также систематически изменяются при деформации, что открывает дополнительный канал измерения и ещё больше повышает универсальность системы.

Данное исследование позволяет на микроскопическом уровне понять, почему происходят эти изменения. По мере расширения или сжатия алмазной решётки изменяется электронная структура дефекта, что, в свою очередь, влияет на его взаимодействие со светом и магнитными полями. Эти знания помогают преодолеть разрыв между фундаментальной квантовой физикой и практическим применением устройств.