Image de diamants avec différentes propriétés prêts à être mesurés. Crédit :Dima Farfurnik
Le diamant pur est constitué d'atomes de carbone dans un réseau cristallin parfait. Mais enlevez quelques carbones et échangez d'autres contre de l'azote, et vous obtenez un diamant avec des propriétés spéciales de détection quantique. Ces propriétés sont utiles pour les applications d'information quantique et la détection de champs magnétiques, et comme plate-forme pour sonder les mystères de la physique quantique.
Lorsqu'un atome d'azote se trouve à côté de l'espace laissé libre par un atome de carbone, il forme ce qu'on appelle un centre de manque d'azote (NV). Maintenant, les chercheurs ont montré comment ils peuvent créer plus de centres NV, ce qui facilite la détection des champs magnétiques, en utilisant une méthode relativement simple qui peut être effectuée dans de nombreux laboratoires. Ils décrivent leurs résultats cette semaine dans Lettres de physique appliquée .
La détection de champ magnétique présente un excellent exemple de l'importance de cette détection. La lumière verte peut induire la fluorescence des centres NV et émettre de la lumière rouge, mais la quantité de cette fluorescence change en présence d'un champ magnétique. En mesurant la luminosité de la fluorescence, Les centres Diamond NV peuvent aider à déterminer l'intensité du champ magnétique. Un tel dispositif peut faire des images magnétiques d'une gamme de types d'échantillons, y compris les roches et les tissus biologiques.
La sensibilité de ce type de détection magnétique est déterminée par la concentration de centres NV tandis que les lacunes qui ne sont pas associées à l'azote créent du bruit. Conversion efficace des postes vacants en centres NV, donc, ainsi que de maximiser la concentration des centres NV, joue un rôle clé dans l'avancement de ces méthodes de détection.
Les chercheurs achètent généralement des diamants dopés à l'azote auprès d'une société distincte. Ils bombardent ensuite le diamant avec des électrons, protons ou autres particules, qui enlèvent une partie des atomes de carbone, laissant des postes vacants. Finalement, un processus de chauffage appelé recuit pousse les lacunes à côté des atomes d'azote pour former les centres NV. Le problème est que l'irradiation nécessite souvent d'envoyer votre échantillon à une installation distincte, ce qui coûte cher et prend du temps.
"La particularité de notre approche, c'est qu'elle est très simple et très directe, " a déclaré Dima Farfurnik de l'Université hébraïque de Jérusalem en Israël. " Vous obtenez des concentrations de NV suffisamment élevées qui conviennent à de nombreuses applications avec une procédure simple qui peut être effectuée en interne. "
Image du montage expérimental NV-diamant. Crédit :Dima Farfurnik
Leur méthode utilise un bombardement électronique à haute énergie dans un microscope électronique à transmission (MET), un instrument accessible à de nombreux chercheurs, créer localement des centres NV. Normalement, un MET est utilisé pour imager des matériaux jusqu'à des résolutions subnanométriques, mais son faisceau d'électrons étroit peut également irradier les diamants.
D'autres ont montré que les MET peuvent créer des centres NV dans des échantillons de diamants spécialisés, mais les chercheurs de cette étude ont testé avec succès la méthode sur plusieurs échantillons de diamants disponibles dans le commerce.
Dans un typique, échantillon non traité, moins de 1 pour cent des atomes d'azote forment des centres NV. Mais en utilisant un TEM, les chercheurs ont augmenté cette efficacité de conversion jusqu'à 10 pour cent. Dans certains cas, les échantillons ont atteint leur limite de saturation, et plus d'irradiation n'était plus efficace. Pour les autres échantillons, cependant, les chercheurs n'ont pas atteint cette limite, suggérant qu'une irradiation supplémentaire pourrait augmenter davantage l'efficacité. Avec des rendements de conversion plus élevés, et petits volumes d'irradiation possibles avec un MET, des appareils comme les capteurs magnétiques pourraient être plus compacts.
Pour s'assurer que la méthode n'entrave pas l'efficacité des NV dans des applications telles que la détection de champs magnétiques, les chercheurs ont confirmé que la durée pendant laquelle les centres NV restent dans leurs états - le temps de cohérence - n'a pas changé.
Emballer suffisamment de centres NV dans un diamant permettrait aux physiciens de sonder les interactions quantiques entre les centres eux-mêmes. Cette recherche pourrait permettre la création d'un état quantique unique appelé état compressé, ce qui n'a jamais été démontré auparavant dans un solide et pourrait pousser les capacités de détection de ces systèmes au-delà des limites classiques d'aujourd'hui.
"Nous espérons que l'augmentation du nombre de centres NV due à l'irradiation servira de tremplin pour cet objectif à long terme et ambitieux, " a déclaré Farfurnik.
