Физики МГУ растянули алмаз электрическим полем

На физическом факультете МГУ имени М.В.Ломоносова обнаружили эффект растяжения игольчатых алмазных кристаллитов под действием приложенного электрического поля. Возникающая при таком растяжении деформация приводит к изменению в спектрах люминесценции, что может быть использовано для создания датчиков электрического поля и других квантово-оптических устройств. Работа была опубликована в журнале Nano Letters. 

Алмазы — это минералы, состоящие из углерода и широко известные своей рекордной твердостью. Однако примечательными являются и другие их свойства. Как и в других кристаллах, в алмазах всегда присутствуют структурные дефекты, некоторые из которых приводят к изменению окраски (поглощения света) или люминесценции и поэтому называются центрами окраски. Особые свойства некоторых разновидностей центров окраски в алмазе делают их привлекательными для использования в квантово-оптических устройствах, к числу которых относятся, например, кубиты, использующие эффект запутанности квантовых состояний фотонов. Одно из требований, необходимых для использования алмаза в таких устройствах, состоит в том, чтобы расстояние между отдельными центрами окраски было порядка 30 нанометров. 

В своих прошлых работах группа исследователей под руководством профессора кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ, доктора физико-математических наук Александра Образцова нашла способ массового получения алмазных микроиголок. Согласно их методике, сначала алмазы выращивают в составе пленок, образующихся в ходе газофазного химического осаждения из смеси метана и водорода, содержащей также и другие «неалмазные» фракции. Затем из полученных пленок удаляют лишний материал, «выжигая» его при нагреве до определенной температуры на воздухе. 

«В новой работе мы попытались получить как можно больше информации об алмазных иглах, которые мы получаем, в частности о центрах окраски», — рассказал профессор Образцов. Чтобы понять, как в структуре алмазов расположены центры окраски и какие у них свойства, ученые обратились к французским коллегам, которые обладают уникальной методикой, позволяющей провести необходимые измерения. «С помощью этой методики наши французские коллеги изучают химический состав и пространственное расположение примесей в различных материалах», — уточнил Образцов.

В ходе измерений алмазные иглы крепили к электроду, размещенному в камере, которая обеспечивала создание и поддержание высокого вакуума. Для растяжения к электроду прикладывалось высокое напряжение, что вызывало электрическую поляризацию диэлектрического алмаза и значительное механическое усилие, растягивающее иглу. Растяжение приводило к деформации кристаллической структуры алмаза. 

«При этом деформируется и структура отдельных центров окраски, — пояснили авторы исследования. — А вместе со структурой меняются их квантово-оптические характеристики. Если раньше для этого можно было только сжимать алмазы, то теперь нам впервые удалось сделать то, что раньше не удавалось, — растянуть их». 

В момент растяжения образца ученые облучали лазером центры окраски и при помощи спектрометра регистрировали их люминесценцию. В ходе эксперимента исследователи обнаружили, что линии люминесценции изменяют свою форму и энергию в зависимости от силы растяжения, которую определяет приложенное электрическое напряжение. Это позволяет надеяться, что на основе аналогичных алмазных иголок можно будет создать детекторы, обеспечивающие бесконтактное измерение электрических полей с высоким пространственным разрешением. 

«Такими детекторами можно будет измерять не только поля, созданные с помощью высокого напряжения в условиях высокого вакуума, но и поля, которые существуют в биологических молекулах: ДНК, РНК и других. Измерять такие поля сегодня — гигантская научная проблема», — прокомментировал Образцов. Поскольку острия алмазных игл имеют размеры от нескольких нанометров до сотен, то и измерения, по словам исследователей, можно будет производить с точностью, соответствующей отдельным фрагментам таких молекул. Возможно, что алмазные микроиглы, способ получения которых разработан физиками МГУ, будут способны также обеспечить оптическое, бесконтактное, детектирование не только электрических, но магнитных полей, температуры и других характеристик с нано- и микроскопическим пространственным разрешением. 

Фото: Схема эксперимента, использовавшаяся в ходе работы