Дефект в структуре алмаза открыл ученым дорогу к созданию квантовых датчиков

Квантовые датчики с поддержкой работы с биоматериалами могут совсем скоро стать реальностью. И все благодаря недавним исследованиям научных сотрудников Кембриджского университета, которые считают, что их инновационное решение сможет открыть дорогу для создания самых разных наноструктур.

Работа ученых была сосредоточена на одной из особенностей алмазов — NV-центре, или азото-замещённой вакансии в алмазах, дефекта строения кристаллической решетки алмаза, возникающей при удалении из его структуры атома углерода, являющегося вакансией (или соединительным узлом) с атомом азота. Путем манипуляции магнитным полем на NV-центр, ученые положили начало развития квантового нанодатчика, который может применяться в самом широком варианте задач.

Одной из таких задач может являться создание сверхвысокочувствительных нанодатчиков. Другой — создание устройства, способного на единичном клеточном уровне заниматься термометрией (измерением температуры).

Ученые надеются, что их открытие также будет способно открыть дорогу для создания и развития очень компактных и сверхвысокоточных приборов для магнитно-резонансной томографии, которые смогут делать сканирование человеческого мозга на уровне единичных нейронов. Такой прибор моментально вызовет фурор в неврологии.

Задачей и одновременно сложностью для ученых явилось угадать момент когерентности магнитного поля внутри NV-центра для возможности дальнейшего использования структуры в своих целях. Каждый NV-центр захватывает электроны, чьи спины (момент импульса) можно контролировать с максимальной точностью за счет различных «раздражителей»: светом, магнитным, электрическим и микроволновыми полями. Благодаря этому можно записывать информацию на спине ядра NV-центра.

Следует отметить, что ученые проводили эксперимент и добрались до NV-центров при использовании довольно крупных алмазов. Однако их открытие доказывает возможность работы и с фрагментами алмазов на микро- и наноуровне, не говоря уже о том, что кембриджские ученые стали вообще первой научной командой, которой удалось добиться таких результатов.

«Результаты наших исследований открывают дорогу к созданию самых крошечных детекторов магнитных полей и температурных датчиков. NV-центры наноалмазных частиц способны определять изменения в этих показателях с точностью до нескольких десятых нанометров. Ни один из существующих на данный момент датчиков даже и близко не может подобраться к таким показателям точности», — объясняет эксперт Хелана Ноулз.

«Мы смогли добиться спиновой когерентности и открытия пространственного разрешения — двух важнейших параметров для различных квантовых технологий», — продолжает ученый.

Подробные результаты работы кембриджских ученых были опубликованы 25 ноября в одном из самых популярных научных журналов Запада Nature Materials.