спектроскопия NV-центров в алмазе

Представьте карусель, на которой сидят не дети, а крошечные магнитные стрелки внутри алмазной пыли. Обычно эти стрелки направлены хаотично, и их сигнал теряется в шуме. Но если карусель наклонить под особым углом и одновременно осветить её зелёным лазером, стрелки начинают выстраиваться в одном направлении. Именно это сделали физики с алмазными частицами, вращая их под углом 54,74° к магнитному полю.

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?

Алмаз — не просто украшение. Внутри его кристаллической решётки прячутся дефекты, которые чувствуют магнитное поле лучше многих приборов. Один такой дефект — NV-центр — работает как крошечный компас, но его стрелка колеблется от тепла и шума. Чтобы компас показывал точное направление, нужна калибровка.

Обычная лампа светит ровно, а маяк — короткими вспышками. Учёные из Лондона заставили крошечный алмаз работать как маяк, но не для света, а для радиоволн. Для этого в кристалл добавили немного азота, а затем осветили его зелёным лазером.

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.

Вселенная — грандиозный оркестр, где тёмная энергия дирижирует расширением.

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.

Обычные магнитные датчики теряют чувствительность при уменьшении размеров. Но учёные превратили крошечный алмаз в световой компас. В отличие от ювелирных алмазов, здесь ценны не чистота, а искусственно созданные дефекты — азотно-вакансионные центры (NV-центры), которые и превращают кристалл в компас.

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.

Крошечный алмаз с дефектом — атом азота рядом с пустотой в кристалле. Этот дефект, NV-центр, работает как магнитная стрелка: под зелёным светом он светится красным, а яркость свечения зависит от того, куда направлено его магнитное поле. Так измеряют магнитные поля с большой точностью — например, следят за работой одного нейрона или ищут скрытые трещины в материалах.

Если ударить по алмазу, он отзовётся звоном — но звук внутри него живёт и без удара. Там постоянно бегут волны сжатия и разрежения, похожие на рябь, которую камень бросает по воде. Только рябь эта — тепловые колебания самих атомов, и её можно засечь лазером. Авторы работы направили на алмаз зелёный лазер и следили, как свет рассеивается на этих невидимых волнах.

Спектр вещества — его отпечаток пальцев. Обычно, чтобы его снять, образец помещают в сильное магнитное поле, как в томографе. Но есть способ обойтись вовсе без магнита: регистрировать сигнал от ядер атомов при нулевом поле. До сих пор этот метод страдал от слабой чувствительности, а его сложные спектры было трудно предсказать.

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.

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.

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.

Радиоактивный тритий распадается, и из него вылетает электрон. Его энергия почти всегда одинакова, но иногда — чуть-чуть меньше. Этот «недобор» может означать, что вместе с обычным нейтрино родилась другая, скрытая частица. Стандартная модель описывает три типа нейтрино, но учёные подозревают, что есть и четвёртый — стерильный.

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.

Крошечный алмаз висит в воздухе, удерживаемый электрическим полем, как пылинка в луче света. Внутри него спрятаны дефекты — места, где атом углерода заменён азотом, а рядом пустота. Эти дефекты ведут себя как магнитики, которые можно переворачивать лазером и микроволнами. Когда магнитики переворачиваются, они слегка толкают алмаз. Толчок крошечный — как если бы муравей дунул на футбольный мяч.

Тепло внутри клетки — как движение по городу: где-то улицы широкие и поток быстрый, а где-то узкие переулки, и всё застревает. Учёные нашли способ составить карту таких «пробок» для тепла, не вскрывая клетку. Они взяли крошечные алмазы — настолько маленькие, что их не видно глазом, — и положили их на тонкую золотую пластинку.

При эпилепсии врач подбирает дозу лекарства почти вслепую. Слишком мало — приступы продолжаются, слишком много — появляются побочные эффекты. Обычно кровь пациента отправляют в лабораторию, и результат приходит через день-два. А теперь тот же анализ можно сделать на крошечном кремниевом чипе. Датчик работает как очень чувствительный нос.

Крошечный дефект в кристалле алмаза работает как чувствительная антенна. Если рядом колеблется магнитное поле, этот дефект — азотная вакансия — откликается свечением. Раньше, чтобы услышать сигнал, приходилось накапливать много повторных измерений, как будто слушать шёпот, прижав ухо к двери. Теперь достаточно одного короткого «взгляда».

В алмазе иногда встречается дефект: вместо двух соседних атомов углерода — один атом азота и пустое место. Этот дефект похож на крошечную антенну, которая отзывается на магнитное поле. Учёные направили на такой алмаз лазер и микроволны — и дефект начал выбрасывать электроны.

Крошечная частица оксида ванадия ведёт себя как окно с регулируемой прозрачностью: в одном состоянии она пропускает инфракрасный свет, а в другом — начинает его поглощать. Переключение происходит не скачком, а плавно, как поворот ручки диммера, меняющего яркость лампы.

Магнитное поле невидимо, но его можно заставить «светиться» с помощью крошечных дефектов в алмазе — азотно-вакансионных центров. Каждый такой дефект работает как миниатюрный компас, который сообщает, куда повёрнуто поле. Проблема в том, что этих компасов много, а считывать их все подряд — всё равно что переписывать вручную каждую букву в толстой книге.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где электроны и ядра играют на разных инструментах. Обычно дирижёру нужны две палочки: микроволны для электронов и радиоволны для ядер. Учёные из Японии нашли способ обойтись одной палочкой — они заставили микроволновые импульсы управлять и ядром, и электроном одновременно.

Камертон звенит на одной ноте, но рядом с ним всегда слышны тихие обертоны — кратные частоты, которые примешиваются к основному звуку. Примерно так же вели себя квантовые датчики частоты: они откликались не только на нужный сигнал, но и на его гармоники — как если бы микрофон ловил не только голос певца, но и эхо от стен.

Крошечный дефект в алмазе — так называемая NV-центр (азот-вакансионный центр, где атом азота соседствует с пустотой в углеродной решётке) — работает подобно микроскопическому уху, способному уловить магнитное «дыхание» сердца. Такие сенсоры функционируют при комнатной температуре и по размеру не превышают песчинку.

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.

Крошечные алмазы с дефектом внутри могут работать как сверхчувствительные датчики магнитного поля. Но чтобы они принесли пользу в медицине, их нужно аккуратно разместить на мягких, влажных, изогнутых поверхностях — например, на гидрогелевой повязке или на волосе. Это как наклеить переводную картинку на мокрый шар: обычные способы либо сжигают узор, либо оставляют грязные следы.

В камере с алмазными наковальнями давление сжимает вещество так, будто его закопали на сотни километров вглубь Земли. Внутри этой камеры работают крошечные датчики из алмаза — центры окраски, которые отзываются на микроволны и рассказывают о магнитных полях и температуре вокруг.

Магнитное поле невидимо, но его можно заставить «светиться». Для этого берут крошечный алмаз с дефектами — местами, где атом углерода заменён азотом, а рядом пустует узел решётки. Такие дефекты, как чувствительные стрелки компаса, реагируют на малейшие изменения магнитного поля и испускают свет разной яркости.

В тёмной комнате крошечный алмаз светится красным, когда на него попадает зелёный лазер. Этот свет — не украшение, а сигнал: яркость меняется, если рядом есть магнитное поле. В алмазе сидят дефекты — атомы азота с пустой соседней ячейкой. Они как чувствительные стрелки, которые поворачиваются под действием магнита.

Клетка не просто лежит на поверхности — она ощупывает её, тянет и толкает. До сих пор приборы ловили только прямые усилия: насколько сильно клетка давит или растягивает опору. Но если взять клетку за «плечи» и слегка повернуть, она ответит скручиванием — и этот поворот до недавнего времени никто не измерял. Учёные придумали микроскоп, который видит вращение.

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.