Дефекты алмазов смогли использовать как атомные датчики

Настоящий умелец найдёт применение даже такому изделию, которое сломалось. В определённом смысле это относится и к учёным-химикам. Недавно американские исследователи смогли использовать дефекты алмазов в качестве атомных датчиков электрических и магнитных полей. Статья об этом исследовании опубликована в журнале Science.

Как известно, алмаз – самый прочный в мире минерал. Своей высокой твёрдостью алмаз обязан составляющим его атомам углерода, соединённым друг с другом в виде четырёхгранной решётки. Однако при образовании алмазов некоторые атомы углерода оказываются выброшенными из своей ячейки. Образуется пустое место, но «свято место пусто не бывает»: его тут же замещает атом азота, находящийся в примеси. В результате этого образуется специфический дефект алмаза – «азото-замещённая вакансия».

Такие дефекты в последние годы успешно использовались исследователями для измерения магнетизма (одно из проявлений электромагнитного взаимодействия) белков, температуры внутри живой клетки и электрического поля от электрона. В новой работе американские учёные смогли измерить параметры кристаллической решётки алмаза, используя тонкий слой азото-замещённых вакансий. С помощью этого эксперимента можно понять, что происходит внутри алмазного кристалла.

Когда учёные создали слой таких дефектов-датчиков, они протестировали их. Оказалось, что они могут испускать красный свет при воздействии лазерного излучения. Исследуя яркость этого свечения, авторы работы смогли понять, как дефекты-датчики реагируют на незначительные изменения в той среде, которая их окружает. Оказалось, что такие датчики могут переключаться между разными магнитными квантовыми состояниями, зависящими от наличия магнитных флуктуаций. Это напоминает действие стрелки обычного магнита в тот момент, когда рядом с ней проводят магнитом. Исследователи также научились использовать алмазы с указанными дефектами для изучения свойств магнитных атомов. Для этого кристаллы алмаза пришлось слегка доработать, внеся в них частицы железа и гадолиния. Теперь можно было наблюдать, как ведут себя частицы азота в условиях магнетизма. Выяснилось, что время переключения датчиков из одного магнитного состояния в другое помогает определить магнитную фазу гадолиния и измерить течение магнитных процессов в нём.