Эти «недостатки» приводят к неожиданным и привлекательным свойствам, которые поместили такие алмазы в центр внимания как многообещающие кандидаты на множество технических достижений.Результаты, изданные онлайн по своей природе Физика, могли помочь ученым лучше понять свойства этих алмазов, у которых есть возможное применение в пределах от квантового вычисления к отображению отдельных атомов в молекулах.Центры дефекта – местоположения в в других отношениях повторяющейся решетке атомов углерода, где другие элементы взяли пятно атомов углерода.
Такие дефекты создают, например, канареечные алмазы, в которых атомы азота заменили атомы углерода. В случае вакансии азота атом азота сидит рядом с пустым местом, где атом углерода отсутствует.
«У некоторых из этих дефектов есть интересные оптические и электронные свойства», сказал Хукстер, который недавно присоединился к Отделу UA Химии и Биохимии и привел исследование во время постдокторского товарищества, финансируемого Естественными науками и Техническим Научным советом Канады. Хукстер провел исследование с соавторами Грэм Флеминг и Дмитрий Будкер в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли американского Министерства энергетики и Калифорнийском университете, Беркли.Хукстер сказал, потому что дефектами вакансии азота можно управлять с оптическими методами, такими как лазеры, они могли использоваться для вычисления, хранения данных, ощущения и даже продвинутых методов отображения, способных к раскрытию структуры молекул.
«Чтобы использовать эту систему для этих заявлений, мы должны понять ее фундаментальные свойства», сказал Хукстер, команда которого первая, чтобы изучить сверхбыструю динамику в этих кристаллах в режиме реального времени. «Чтобы использовать эти системы для квантового вычисления, Вы хотите иметь к некоторой идее того, что мы называем вибрационными способами, потому что они определяют окружение и могут возможно использоваться для обработки информации».Чтобы понять, что это означает, нужно изобразить кристаллическую структуру алмаза: трехмерная решетка атомов углерода, формирующих высоко заказанную и повторяющуюся структуру.
Но атомы не склеены в место. Скорее они вибрируют назад и вперед как будто связанный к крошечным пружинам. Везде, где дефект вакансии азота прерывает однородную углеродную решетку, вибрационное имущественное изменение способами, которыми могут управлять, например лазерные импульсы.
«Мы используем лазерный свет, чтобы видеть то, что происходит в системе», сказал Хукстер. «Когда мы поражаем эти вещи сверхбыстрыми импульсами, это похоже на удар их с молотком. Мы помещаем много энергии в систему и часы, когда та энергия течет через него».Лазерный пульс пробивает электроны в центры вакансии азота в более высокий уровень энергии, которую физики называют взволнованным государством.
Со временем электроны отступают в свое стандартное состояние, в процессе, названном релаксацией, рассеивая энергию в их среду.Чтобы смотреть, как колебания влияют на сверхбыструю релаксацию системы, команда Хукстера использовала сверхбыстрые лазерные импульсы, потому что релаксация происходит на временных рамках нескольких наносекунд – миллиардные части секунды.Точно то, как та энергия перемещается через кристалл и как это влияет на колебания вокруг центров вакансии азота, крайне важно для выяснения, как использовать в своих интересах его свойства, но никто никогда не был в состоянии наблюдать этот процесс прежде.«Это – первый раз, когда мы были в состоянии непосредственно наблюдать вибрационный спектр системы в режиме реального времени», сказал Хукстер.
С ее командой она использовала двумерную электронную спектроскопию, в основном способ создать двумерную корреляцию «карты», которые позволяют исследователям наблюдать систему, поскольку это расслабляется к стандартному состоянию.«Думайте о нем как об ультрабыстродействующей фотографии, чтобы заморозить действие в масштабе атомов и молекул», сказал Хукстер. «Мы можем наблюдать, что энергия течет через систему в режиме реального времени и берет снимки по пути. Мы видим, где энергия входит и где она выходит».
В мире сверхбыстрой спектроскопии, которая напоминает о первой быстродействующей фотографии, развитой Эдвардом Муибриджем в начале 20-го века, чтобы заморозить действие скачущих галопом лошадей, «наносекунды похожи на миллион лет», сказал Хукстер благодаря лазерным импульсам, длящимся только фемтосекунды. Фемтосекунда миллионная из миллионной из секунды. «В наших экспериментах мы смогли наблюдать колебания, местные к дефекту с резолюцией времени фемтосекунды.
Способность непосредственно следовать за этими колебаниями, ведомыми к некоторым удивительным новым результатам включая это эти колебания, является квантом, механически последовательным в течение тысяч фемтосекунд».«Вопрос, который мы задаем, что происходит, когда Вы начинаете заменять атомы в кристалле?» Хукстер объяснил. «Вы получите изменение в упругих свойствах? Каждый центр вакансии азота похож на более мягкий регион, в котором Вы можете ткнуть. Они поглощают лазерную энергию, где не было ранее никакого поглощения, и мы видим все эти дополнительные вибрационные способы, которые мы не видим в остальной части кристалла».
«В нашем сценарии алмаз похож на ясное окно. Мы смотрим прямо через него и только видим дефекты.
Мы кроим лазерный пульс к поглощению дефектов».