азотно-вакансионный центр в алмазе

Крошечный алмаз, невидимый глазу, лежит на чипе и чувствует тепло так, как не может ни один обычный градусник. Внутри него спрятаны два дефекта — места, где атом углерода заменён атомом азота, а рядом пустота. Эти дефекты работают как пара чувствительных стрелок: под действием микроволн они колеблются, и частота их колебаний меняется, когда алмаз нагревается или остывает.

Водород в молекуле иногда напоминает не шарик, а волну, которая может просочиться сквозь энергетический барьер, как призрак сквозь стену. Химики называют это туннелированием, и оно лежит в основе многих процессов — от работы ферментов до переноса заряда в материалах. Но как именно молекула находит путь для такого перехода?

Прозрачная плёнка оксида висмута-вольфрама лежит на подложке и не проводит ток. Три минуты в облаке азотной плазмы, и она чернеет, а сопротивление падает в миллиард раз. Секрет не в новых атомах, а в перестановке старых: пустые места, где раньше сидел кислород, выстраиваются в ровные ряды, как солдаты по команде. Эта шеренга пустот становится дорогой для электронов.

Нейтрон — частица, которая обычно стабильно «сидит» в ядре атома и не исчезает. Но некоторые теории предполагают, что изредка он может превращаться в своего невидимого двойника — гипотетическую частицу, которую невозможно поймать обычными детекторами.

Представьте оркестр, где каждый музыкант — крошечный магнитный датчик, встроенный в кристаллическую решётку алмаза. Чтобы исполнить чистейшую симфонию измерений, им нужна абсолютная тишина: ни лишних вибраций, ни посторонних шумов. Однако при создании таких ансамблей — тонких алмазных плёнок с азотными дефектами — в материал неизбежно врывается диссонанс.

Крошечный дефект в кристалле алмаза — азот-вакансионный центр, где атом азота и соседняя вакансия (пустота) образуют квантовую систему, — работает как сверхчувствительный датчик магнитных полей, словно чуткий микрофон, улавливающий малейшие колебания. Чтобы услышать «шёпот» отдельных молекул, датчик размещают у самой поверхности кристалла.

Пчелиные соты, сложенные не из воска, а из атомов, — это графен, плоский кристалл толщиной в один слой. Электроны в нём напоминают бегунов на перекрёстке: где-то ускоряются, где-то замедляются, но никогда не застревают на краю. Физики называют такой лист «топологически тривиальным» — иначе говоря, края у него самые обычные, без особых свойств. Теперь выломаем из сот один-единственный атом.

Создать узел квантовой сети — всё равно что научить танцора балансировать на углеродной нити над пропастью. Одна нога должна легко отрываться от опоры, метая фотоны-вестники во внешний мир. Другая — намертво цепляться за канат, храня драгоценную квантовую информацию.

В глубине алмазного кристалла, усыпанного NV-центрами, дремлет симфония. Каждый дефект — как камертон, готовый отозваться на пробегающую акустическую волну. Но поодиночке их голоса еле слышны: связь спина и фонона слабее шёпота. Нужен маэстро, способный превратить робкие колебания в громогласный хор. И такой маэстро — лазерный луч.

Алмаз — символ совершенства, но его истинная магия раскрывается через изъяны. Идеальная чистота решётки дарит прозрачность и твердость, тогда как дефекты — например, центры окраски — открывают портал в квантовый мир, становясь основой квантовых компьютеров и квантовых сенсоров.

В алмазе, как и в любом кристалле, неизбежно возникают дефекты кристаллической решётки: вакансии (пустые узелки, где отсутствует атом) или примесные атомы, занявшие чужое место.

Магнитные частицы прикреплены к поверхности алмаза нитями ДНК, словно марионетки на верёвочках. Они непрерывно танцуют — колеблются под действием теплового движения молекул жидкости. Вязкость жидкости задаёт темп этого броуновского танца: в мёде, где вязкость высока, частицы едва дрожат, а в спирте, с его низкой вязкостью, — отплясывают быстро.

Раскалённый газ осаждается на подложку, слой за слоем наращивая прозрачную плёнку. Но вместо идеального зеркала поверхность иногда покрывается крошечными бугорками — как ледяные наросты на стекле в сильный мороз. Обычно их стараются убрать, потому что они мешают делать ровные детали. Физики из Оксфорда и их коллеги поступили иначе: посмотрели, что у бугорков внутри.

В алмазных квантовых устройствах есть крошечный дефект — азотно-вакансионный центр (атом азота плюс пустота вместо атома углерода). Он работает как переключатель, который самопроизвольно щёлкает туда-сюда: может нести лишний электрон или не нести, и от этого зависит, светится он или нет. Но стоит рядом оказаться примеси азота — и переключатель начинает жить своей жизнью.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант-кубит должен играть в идеальной тишине. Но когда таких оркестров много и они хотят выступать вместе, им нужен надёжный дирижёр-связист. Проблема в том, что сверхпроводящие кубиты общаются на языке микроволн — как если бы скрипачи пытались докричаться до соседнего зала через бетонную стену.

В кристалле алмаза иногда встречаются «гости» — одиночные атомы других элементов, занявшие место углерода. Один из таких гостей, атом олова, при облучении лазером испускает свет строго определённого цвета. Этот цвет меняется, если алмаз сжать. Физики рассчитали, насколько именно.

Алмаз — самый твёрдый природный материал, и обычно он не проводит электричество. Но если добавить в его кристаллическую решётку немного чужеродных атомов, он может стать полупроводником, как кремний в компьютерных чипах.

На кухне стоит ведро с водой и такое же ведро с песком. Высыпаем песок в воду — и получаем смесь, где песка ровно в пять раз больше, чем воды. Примерно так устроена наша Вселенная: обычного вещества, из которого сделаны звёзды, планеты и мы сами, — одна часть, а неуловимой тёмной материи — пять.

Азот — тот самый газ, которым мы дышим, — под давлением в миллион атмосфер ведёт себя как капризный металл. В камере с алмазными наковальнями его сжимают до 78–98 гигапаскалей и греют лазером до 1800–2500 кельвинов. В этих условиях молекулы N₂ перестраиваются в кристаллы, которые могут запасать энергию плотнее, чем взрывчатка.

Волчок, раскрученный на идеальной поверхности, падает от малейшей дрожи. Так и квантовый бит, созданный на дефекте в алмазе, теряет своё состояние из-за магнитного беспорядка, вносимого примесями и внешними помехами.

В сильном магнитном поле электроны, запертые в тонком слое, иногда выстраиваются в ровный узор — как гости на многолюдной вечеринке, которые нашли место, где никто не толкается. Такой порядок называют кристаллом, хотя это не лёд и не соль, а сами электроны, замершие на своих местах. Раньше этот узор лишь предполагали, а теперь его впервые разглядели напрямую.

Лазер обычно греет. Но в некоторых кристаллах свет может уносить тепло — как если бы чайник остывал от яркой лампы. В алмазе такую работу выполняют дефекты: места, где вместо углерода стоит атом азота, а рядом пустота. Спектроскопия показала, что при подсветке лазером с длиной волны чуть ниже резонансной дефект испускает свет с большей энергией, чем поглотил.

В упорядоченной кристаллической решётке алмаза иногда встречаются структурные дефекты: атом азота замещает углерод в узле, а соседний узел остаётся пустым — вакантным. Такой дефект, называемый азотно-вакансионным центром, превращается в сверхчувствительный алмазный компас — его магнитный момент, подобно стрелке, реагирует на ничтожные изменения внешнего магнитного поля.

Молекулы в растворе ведут себя как толпа на площади: могут беспорядочно толкаться, а могут выстроиться в ровные ряды. Водный раствор дисодиум кромогликата — известная модель хромонических жидких кристаллов, где такие «ряды» возникают сами собой. Но если посветить на раствор ультрафиолетом, порядок рушится: молекулы начинают распадаться на части.

В куске алмаза спрятан крошечный дефект — атом азота рядом с пустотой. Этот дефект ловит магнитные поля, как антенна ловит радиоволны, и отвечает вспышками света. Такие датчики уже меряют температуру внутри живых клеток и ищут дефекты в микросхемах. Беда в том, что сигнал от одного дефекта тонет в шуме. Чтобы вытащить полезное, прибор повторяет измерение сотни раз и усредняет.

В 2017 году в индийской деревне Мукхундпура упал камень с неба. Это был редкий углистый метеорит — кусок древнего космического материала, который хранит в себе следы рождения Солнечной системы. Местные жители быстро собрали осколки, и они попали в лабораторию.

Алмазная пылинка размером меньше сотой доли миллиметра светится красным. Внутри неё — дефект кристалла: два соседних атома углерода, где одного не хватает, а рядом сидит атом азота. Такая пара ловит свет и отдаёт его обратно, как крошечный маячок, который не гаснет при комнатной температуре. Эту пылинку поднесли к дорожке на поверхности чипа.

Крошечная алмазная частица из углерода левитирует в вакууме, удерживаемая лучом оптического лазера. В её кристаллической решётке присутствует точечный дефект: атом азота соседствует с вакансией — пустым узлом. Под воздействием света и микроволнового излучения этот дефект начинает осциллировать, передавая колебания всей микрочастице.

Пустое пространство никогда не бывает по-настоящему пустым. Оно кипит крошечными флуктуациями энергии — словно податливая глина в руках скульптора.

Крохотный алмаз, уступающий размерами пылинке, удерживается в магнитной ловушке, созданной из микрочипов. Внутри его кристаллической решётки — одиночный дефект, действующий как квантовый маячок: он позволяет отслеживать состояние всей системы.

Нагрейте обычные кварцевые часы на десять градусов — и они начнут убегать на секунды в сутки. Атомные часы точнее, но занимают целый шкаф. Алмаз с крошечным дефектом — азотной вакансией — обещает точность атомных часов в объёме песчинки. Одна беда: этот дефект очень чувствителен к теплу, как камертон, который меняет тон от температуры воздуха. В новой работе дефект заставили петь на два голоса сразу.

В кристалле алмаза есть невидимые трещинки — дислокации. Это места, где ряды атомов сдвинуты, как если бы в стопке бумаги один лист вытащили наполовину. Вокруг таких мест возникает напряжение, и оно влияет на то, как материал ломается, гнётся или проводит ток.

В кристаллическую решётку алмаза можно внедрить миниатюрный сенсор. Если заменить один атом углерода на атом азота, а соседний узел решётки оставить пустым, образуется азотно-вакансионный центр — дефект, который обладает спиновыми состояниями, чувствительными к внешнему магнитному полю, и способен излучать свет в ответ на его изменения.

Толпа из тридцати одного квантового датчика шепчет в алмазной пластине. Раньше этот шёпот тонул в гуле прожекторов: случайные всплески фотонов, которыми считывали состояние спинов, заглушали собственный квантовый шум ансамбля. Теперь физики научились выключать прожекторы и слушать саму толпу.

На алмазной пластине размером два на два миллиметра уместился целый оркестр из сорока девяти скрипок. Каждая струна настроена на свою ноту — свой фрагмент ДНК. Когда в зал входит нужная мелодия, струна отзывается, и дирижёр слышит чистый звук. Этот дирижёр — квантовый сенсор, спрятанный в самом алмазе.

Луч видимого света входит в облако из миллиардов атомов рубидия, охлаждённых почти до абсолютного нуля, и выходит с другой стороны уже в телекоммуникационном диапазоне. Так выглядит работа переводчика, который не теряет смысл фразы: атомы принимают фотон на «языке» 795 нанометров и отдают его на «языке» 1367 нанометров, пригодном для путешествий по оптоволокну.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где струнные и духовые играют на разных языках. Сверхпроводящие процессоры оперируют микроволновыми фотонами в сантиметровых контурах, а спиновые кубиты — например, азотно-вакансионные центры — хранят информацию в масштабах отдельных атомов.

Камертон звучит, когда по нему ударяют. Его зубцы колеблются, и звук слышен, пока вибрация не затихнет. В квантовом мире тоже есть свои «камертоны» — например, дефект в алмазе, который отзывается на магнитное поле, и углеродная трубка, способная дрожать на частоте в миллиарды раз выше ноты «ля». В новой работе эти два объекта заставили чувствовать друг друга.

Крошечный алмаз с дефектами — атомами азота, занявшими место углерода, — таит в себе необычную особенность. Вокруг каждого дефекта крутится лишний электрон, как волчок, который можно наклонять радиоимпульсами.

В толще алмаза спрятаны крошечные изъяны — места, где атом углерода заменён азотом, а рядом зияет пустота. Эти дефекты, словно маяки, могут хранить и передавать квантовую информацию. Но вокруг бушует магнитная буря: ядра атомов в кристалле колеблются, создавая помехи. Сигнал тонет в шуме. Авторы работы нашли способ пробиться сквозь этот хаос.