Dans cette étude, Des images 3D des champs de contrainte dans des cristaux individuels de nanodiamant ont été obtenues avec l'imagerie par diffraction cohérente de Bragg. Avec cette méthode, le cristal est éclairé par un faisceau de rayons X cohérent qui se diffuse pour former un diagramme de diffraction cohérent. Une série de ces diagrammes de diffraction mesurés à partir du cristal sont utilisés pour reconstruire la forme 3-D et, plus important, l'état de déformation du cristal. Une telle image 3-D d'un nanodiamant est montrée ici, avec la coloration de surface indicative d'une déformation locale. Crédit :Stephan Hruszkewycz
Mécanique quantique, la physique qui régit la nature à l'échelle atomique et subatomique, contient une foule de nouveaux phénomènes physiques pour explorer les états quantiques à l'échelle nanométrique. Bien que délicat, il existe des moyens d'exploiter ces systèmes intrinsèquement fragiles et sensibles pour la détection quantique. Une technologie naissante en particulier utilise des défauts ponctuels, ou des erreurs de placement d'un seul atome, dans des matériaux nanométriques, comme les nanoparticules de diamant, mesurer les champs électromagnétiques, Température, pression, fréquence et d'autres variables avec une précision et une exactitude sans précédent.
La détection quantique pourrait révolutionner le diagnostic médical, permettre le développement de nouveaux médicaments, améliorer la conception des appareils électroniques et plus encore.
Pour une utilisation en détection quantique, le cristal de nanodiamant en vrac entourant le défaut ponctuel doit être très parfait. Tout écart par rapport à la perfection, tels que des atomes manquants supplémentaires, déformation dans le réseau cristallin du diamant, ou la présence d'autres impuretés, affectera négativement le comportement quantique du matériau. Les nanodiamants hautement parfaits sont également assez coûteux et difficiles à fabriquer.
Une alternative moins chère, disent des chercheurs du Argonne National Laboratory et de l'Université de Chicago, est de prendre des défauts, basse qualité, diamants de fabrication commerciale, puis "soignez-les".
Dans un article publié cette semaine dans Matériaux APL , des éditions AIP, les chercheurs décrivent une méthode pour cicatriser les nanocristaux de diamant dans des conditions de haute température, tout en visualisant les cristaux en trois dimensions à l'aide d'une technique d'imagerie aux rayons X.
"La détection quantique est basée sur les propriétés uniques de certains défauts ponctuels optiquement actifs dans les nanostructures semi-conductrices, " dit F. Joseph Heremans, un scientifique du laboratoire national d'Argonne et co-auteur de l'article.
Ces défauts, tels que les centres de vacance d'azote (NV) dans le diamant, sont créés lorsqu'un atome d'azote remplace un atome de carbone adjacent à une lacune dans la structure du réseau en diamant. Ils sont extrêmement sensibles à leur environnement, ce qui en fait des sondes utiles des températures locales, ainsi que les champs électriques et magnétiques, avec une résolution spatiale plus de 100 fois inférieure à l'épaisseur d'un cheveu humain.
Parce que les diamants sont biologiquement inertes, capteurs quantiques à base de nanoparticules de diamant, qui peut fonctionner à température ambiante et détecter plusieurs facteurs simultanément, pourrait même être placé dans des cellules vivantes, où ils pourraient, selon Heremans, "systèmes d'image de l'intérieur vers l'extérieur."
Heremans et ses collègues, dont Wonsuk Cha et Paul Fuoss d'Argonne, ainsi que David Awschalom de l'Université de Chicago, ont entrepris de cartographier la distribution de la déformation cristalline dans les nanodiamants et de suivre la cicatrisation de ces imperfections en les soumettant à des températures élevées, jusqu'à 800 degrés Celsius dans un environnement d'hélium inerte.
"Notre idée du processus de" guérison "est que les lacunes dans le réseau sont comblées lorsque les atomes se déplacent lorsque le cristal est chauffé à des températures élevées, améliorant ainsi l'homogénéité du réseau cristallin, " a déclaré Stephan Hruszkewycz, également membre du personnel scientifique d'Argonne et auteur principal de l'article.
Cette cicatrisation des nanodiamants a été suivie par une méthode de microscopie 3D appelée imagerie par diffraction cohérente de Bragg, réalisée en soumettant les cristaux à un faisceau de rayons X cohérent à la source avancée de photons à Argonne. Le faisceau de rayons X qui diffuse les nanodiamants a été détecté et utilisé pour reconstruire la forme 3-D du nanocristal, "et, plus important, l'état de déformation du cristal, ", a déclaré Hruszkewycz.
Les chercheurs ont découvert que les nanodiamants « rétrécissent » pendant le processus de recuit à haute température, et supposer que cela se produit à cause d'un phénomène appelé graphitisation. Ce phénomène se produit lorsque la surface du matériau est convertie de l'arrangement normal en treillis de diamant en graphite, une seule couche d'atomes de carbone disposés en fil de poulet.
L'étude marque la première fois que l'imagerie par diffraction cohérente de Bragg s'avère utile à des températures aussi élevées, une capacité qui, Hruszkewycz a dit, "permet l'exploration de changements structurels dans des matériaux nanocristallins importants à des températures élevées qui sont difficiles d'accès avec d'autres techniques de microscopie."
Hruszkewycz a ajouté que la recherche représente « une étape importante vers le développement de méthodes évolutives de traitement peu coûteuses, nanodiamants commerciaux pour la détection quantique et le traitement de l'information."
