На черно-белом изображении кристалл микроалмаза виден под сканирующим электронным микроскопом. Наложенный синий квадрат с разбросанными цветными пятнами представляет собой изображение флуоресцентной микроскопии, на котором выделяются новые центры окраски, обнаруженные авторами исследования. Это дефекты, переизлучающие ранее поглощенный свет в узком спектральном диапазоне. А именно, как видно на графике справа, большая часть излучения приходится на длину волны около 630 нанометров. Достоинством этого пика является то, что он хорошо различим и смещается в зависимости от температуры окружающей среды, что позволяет использовать алмаз в качестве удаленного датчика температуры.
Фото: Артур Нелюбов/Сколтех

Центры окраски — это общий термин для дефектов различной природы в прозрачном кристалле, обычно в алмазе. Как правило, центр окраски представляет собой чужеродный атом, такой как азот, включенный в кристаллическую решетку алмаза, при этом отсутствует один или несколько близлежащих атомов углерода.

Название цветовых центров связано с их оптическими свойствами. В то время как сам алмаз прозрачен для видимого света , центры окраски — это пятна в нем, обладающие технологически привлекательной способностью поглощать свет и эффективно переизлучать его в довольно узком спектральном диапазоне, то есть с очень специфическим цветом (длиной волны). Важно отметить, что центры окраски могут эффективно излучать одиночные фотоны. Есть несколько потенциальных применений, где может пригодиться это узкополосное однофотонное излучение.

Отдельные фотоны являются строительными блоками для квантовой оптики и приложений квантовой информации. Например, такие фотоны полезны для новейшей технологии защиты данных — квантового шифрования. Он обеспечивает безопасную передачу информации между двумя сторонами и предполагает обмен зашифрованными сообщениями и ключами к ним.

Ключ необходимо передавать по защищенному каналу, а для некоторых протоколов распределения квантовых ключей требуется эффективный источник одиночных неразличимых фотонов. Это означает, что параметры испускаемых фотонов, такие как поляризация и длина волны, должны совпадать с высокой степенью точности.

Еще одно интересное свойство испускания фотонов центрами окраски заключается в том, что длина волны испускаемого света чувствительна к температуре окружающей среды. Это означает, что фотоны, создаваемые этими дефектами, несут информацию о температуре окружающей среды, в которой находится алмаз.

Учитывая тот факт, что ученые могут создавать наноалмазы со встроенными центрами окраски, можно создавать очень маленькие термометры с высоким пространственным и температурным разрешением. По словам исследователей, такое измерение температуры хорошо бы работало в биологических приложениях. В других исследованиях наноалмазы уже вводились в клетки для изучения изменений внутренней температуры.

«Центры окраски в алмазе известны и изучаются уже около 40 лет. Открытая нами новая разновидность обладает превосходными свойствами с точки зрения возможных технологических применений. А именно, спектральный диапазон излучения наших центров почти в 10 раз уже по сравнению со всеми ранее известные центры окраски. Узкополосное излучение и высокая яркость сделали бы термометры более чувствительными», — ведущий автор исследования, кандидат технических наук Сколтеха, прокомментировал студент Артур Нелюбов.

Он добавил, что еще одним интересным свойством новых центров окраски является узкополосное возбуждение: они не только излучают свет в узкой спектральной полосе, но и избирательно поглощают его. В некотором смысле каждый цветовой центр даже одного и того же класса немного отличается, и есть приложения, в которых это можно использовать для получения от них ответа очень целенаправленным образом.

Примером может служить аналитическая техника, используемая в биологии, известная как многоцветная визуализация, где «дефектные» микроалмазы могут пригодиться в качестве нетоксичных, нерадиоактивных и уникальных биомаркеров.

Новые центры окраски пока идентифицируются по набору признаков на спектрах флуоресценции — графиках, характеризующих свет, излучаемый образцом алмаза. Однако истинная природа этих дефектных центров пока неизвестна. У исследователей есть несколько предположений, но они говорят, что необходимы дополнительные исследования.

«Мы не вносили какие-либо дефекты намеренно, и все же центры окраски, о которых сообщалось в нашем исследовании, представляли собой лишь незначительные вариации в чистых синтетических микроалмазах из трех разных партий», — сказал Нелюбов.

«Микроалмазы были получены с помощью высокотемпературного синтеза под высоким давлением с использованием органического соединения под названием адамантан в качестве прекурсора. Остается определить, появляются ли эти центры окраски в природных алмазах и в синтетических алмазах, полученных другими методами. "

Другие планы команды относительно будущих исследований недавно открытых центров окраски включают исследование их оптических свойств при очень низких температурах. На самом деле это может указать, какой физический дефект в кристаллической решетке лежит в основе центра окраски.

По словам команды, открытие стало возможным благодаря разработке нового метода. Исследователям удалось объединить два разных экспериментальных метода: сканирующую электронную микроскопию и флуоресцентную спектроскопию.

«Это позволило нам пометить наиболее интересные микроалмазы, имеющие центры окраски, и провести несколько серий экспериментов с одними и теми же алмазами с использованием различного оборудования на отдельных центрах окраски. Именно так можно охарактеризовать этот новый класс излучателей», — пояснил Нелюбов.