Прямая визуализация поля напряжений вокруг дислокации в алмазе подтверждают теорию кристаллического напряжения, существовавшую 80 лет
Впервые японские исследователи напрямую картировали несколько компонентов поля напряжений, окружающего дефект атомного масштаба в кристаллической структуре алмаза. Группа под руководством Токуйюки Терадзи из Национального института материаловедения Японии добилась этого результата, используя азотно-вакансионные центры (NV) в алмазе, спиновые состояния которых по-разному реагируют на напряжение в зависимости от их ориентации относительно поля напряжений. Опубликованная в журнале Applied Physics Letters методика подтверждает теорию 80-летней давности о распределении миниатюрных полей напряжений в алмазе.
Рис. Сравнение экспериментально измеренных полей напряжений вокруг дислокаций алмаза (слева) с теоретически рассчитанным тензором напряжений (справа). Источник: Такеюки Цуджи и др.
В ходе исследования физики использовали NV-центры в качестве крошечных датчиков напряжения, окружающего дислокацию. Эти дефекты образуются, когда атом углерода в алмазной решетке замещается атомом азота, расположенным рядом с пустым узлом решетки. NV-центры особенно полезны в квантовом зондировании, поскольку спиновые состояния неспаренных электронов, связанных с ними, очень чувствительны к их локальному окружению, включая механическое напряжение. Они также очень стабильны, сохраняя свою квантовую информацию в течение длительного времени, даже при комнатной температуре.
Кроме того, их спиновые состояния легко считываются оптически. При освещении лазерным светом NV-центры флуоресцируют с большей или меньшей яркостью в зависимости от своего спинового состояния. Применяя микроволны, исследователи могут изменить этот спин — но только когда частота микроволн совпадает с резонансной частотой NV-центра, вызывая измеримое снижение яркости.
Чтобы использовать это свойство, физики рассмотрели, как эти резонансные частоты будут изменяться в ответ на поле напряжений дислокации. Внутри алмазной решетки NV-центры могут располагаться в четырех возможных ориентациях, их резонансные частоты смещаются в зависимости от направления приложенного напряжения относительно оси, идущей от атома азота к вакансии. Для NV-центров, находящихся в одном и том же поле напряжений, это должно создавать незначительно различающиеся смещения для каждой ориентации, что позволит разделить отдельные компоненты тензора напряжений.
Для обнаружения этих сдвигов учёные сначала вырастили тонкую высококачественную алмазную пленку методом химического осаждения из газовой фазы, а затем определили область, где в поле напряжений преобладала единственная дислокация под углом 45°. Плёнка была из углерода, обогащенного изотопом углерода-12, что повышает когерентность спиновых состояний NV-центров. Кроме того, физики точно настроили концентрацию азота в пленке, чтобы максимизировать яркость флуоресценции NV-центров, не жертвуя при этом когерентностью их спиновых состояний.
Затем, используя конфокальный микроскоп, учёные подвергли NV-центры по всей плёнке воздействию пар микроволновых импульсов, разделенных тщательно подобранным интервалом. Эта методика позволила измерить резонансные частоты с чрезвычайной точностью по результирующей яркости флуоресценции, обнаружив напряжение с точностью до 1 мегапаскаля: примерно в 10 раз точнее, чем традиционные методы.
На основе этих измерений была построена карта четырех отдельных компонентов тензора напряжений вокруг дислокации. Измерения выявили симметричное относительно точки распределение напряжений, центрированное вокруг дислокации, что позволило успешно обнаружить небольшие изменения напряжений. Используя теорию упругости, физики получили значения упругих свойств алмаза, которые точно соответствовали установленным значениям для объемного алмаза, подтверждая близкое соответствие с теоретически рассчитанным тензором напряжений.
