• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
18.04.2023
Сколтех
1 057

Дефекты алмаза позволят «померить температуру» клеткам

4.7

Ученые из Сколтеха, МПГУ и других научных организаций обнаружили новый класс дефектов в алмазе, которые могут быть полезны для технологий квантовой обработки информации и измерения температуры на расстоянии со сверхвысоким пространственным разрешением, в том числе внутри живых клеток.

Дефекты алмаза позволят «померить температуру» клеткам
Дефекты алмаза позволят «померить температуру» клеткам / ©Getty images

Исследование опубликовано в виде письма в журнале Physical Review B. Центрами окраски называют дефекты с определенными свойствами в прозрачном кристалле, в частности в алмазе. Физически центры окраски представляют собой различные конфигурации инородного атома, например азота или другого элемента таблицы Менделеева, в кристаллической решетке алмаза и одной или нескольких вакансий — отсутствующих атомов углерода.

Название «центры окраски» связано с оптическими свойствами этих дефектов. Алмаз сам по себе прозрачен для видимого света, в то время как центры окраски обладают привлекательной с точки зрения технологических применений способностью поглощать и эффективно переизлучать свет (флуоресцировать) в узком частотном диапазоне, то есть четко определенного цвета. Кроме того, важным свойством является возможность эффективного излучения одиночных фотонов. Существует ряд технологий, для которых возможность генерировать одиночные фотоны в узком спектральном диапазоне весьма полезна.

На манипуляциях с одиночными фотонами завязаны приложения в квантовой оптике и квантовой информатике. В частности, такое излучение может применяться в квантовой криптографии — в теории это наиболее безопасный вариант передачи информации. Отправитель и получатель обмениваются зашифрованными посланиями и ключами для их декодирования. При этом ключи должны передаваться по защищенному каналу, и некоторые протоколы их передачи требуют эффективного источника одиночных неразличимых фотонов. То есть характеристики излучаемых фотонов — поляризация, «цвет» и так далее — должны совпадать с высокой точностью.

Другая ценная особенность центров окраски: в зависимости от того, какова температура среды, в которой они оказались, излучение меняется строго определенным образом. Грубо говоря, по цвету их излучения можно точно оценить температуру в точке, где находится алмаз с соответствующим дефектом. Таким образом, получая наноалмазы с центрами окраски, ученые создают крошечные термометры удаленного действия с высоким температурным и пространственным разрешением: они измеряют температуру точно и на очень малом пространственном масштабе. В частности, уже существуют исследования, в которых с помощью таких кристаллов с дефектами регистрировали изменения температуры и изучали особенности теплопроводности внутри биологических клеток.

«Центры окраски в алмазе известны ученым и активно исследуются уже около 30 лет. Новый класс дефектов, который мы обнаружили, обладает наиболее привлекательными оптическими свойствами по сравнению с другими широко известными дефектами в алмазах: дело в том, что бо́льшая часть излучения обнаруженных центров окраски приходится на крайне узкий спектральный диапазон, примерно в 10 раз уже, чем у известных ранее. Этот факт в сочетании с довольно высокой стабильностью и интенсивностью излучения говорит о том, что с их использованием можно проводить локальные измерения температуры с повышенной точностью», — прокомментировал результаты исследования его первый автор, аспирант Сколтеха Артур Нелюбов.

Изображение кристалла алмаза, полученное на сканирующем электронном микроскопе (черно-белая картинка) и на люминесцентном микроскопе (цветной квадрат). Яркие пятна в кристалле — открытые учеными центры окраски, то есть дефекты, поглощающие и переизлучающие свет. На графике справа изображен спектр люминесценции с отчетливым пиком излучаемой энергии, который приходится на свет с длиной волны около 630 нанометров. При повышении или понижении температуры окружающей среды алмаза положение и ширина пика будут изменяться. Регистрируя эти изменения, можно дистанционно измерять температуру / ©Артур Нелюбов / Сколтех

Ученый добавил, что у открытых коллективом центров окраски есть еще одно любопытное свойство — узкополосное возбуждение. Они не только излучают свет в узком диапазоне, но и поглощают его тоже выборочно. То есть даже центры окраски одного класса немного отличаются друг от друга, и при желании к ним можно обращаться адресно. Например, в биологии есть метод экспериментального исследования образцов — мультицветная визуализация — для которого алмазы с такими дефектами будут весьма полезны в качестве специфических, нетоксичных, нерадиоактивных биомаркеров.

Пока научному коллективу не удалось точно идентифицировать природу данных центров. При этом ученые охарактеризовали их и показали наличие у них ряда характерных особенностей. «В кристаллы на этапе синтеза не было преднамеренно внедрено никаких примесей, и тем не менее описанные в нашей статье центры окраски были обнаружены в образцах из трех разных партий чистых микроалмазов, — рассказал Нелюбов. — Алмазы произведены методом высоких температур и давлений с использованием адамантана в качестве прекурсора. Для подтверждения наличия таких же дефектов в алмазах естественного происхождения и в изготовленных иными методами нужны дополнительные исследования».

Также в планы дальнейших исследований научного коллектива входит изучение оптических свойств открытых центров окраски при очень низких температурах. Как раз таким образом можно получить больше информации о структуре энергетических уровней, и, следовательно, строить теории о происхождении данных дефектов.

По словам ученых, открытие стало возможным благодаря разработке нового экспериментального метода. Авторам работы удалось совместить два типа микроскопии: сканирующую электронную микроскопию и люминесцентную спектро-микроскопию. «Такой подход позволил нам маркировать представляющие наибольший интерес микроалмазы с центрами окраски и проводить серии экспериментов на разных установках с одними и теми же микрокристаллами.

Концентрации обнаруженных дефектов в алмазах были крайне малы, и обнаружить их получилось только благодаря сверхвысокой чувствительности используемых установок. Таким образом, в роли объектов рассмотрения преимущественно выступали одиночные примесные центры. Благодаря этому мы смогли собрать статистику, провести подробный анализ свойств и охарактеризовать новый класс излучателей в алмазе», — пояснил Нелюбов.

Помимо ученых из Сколковского института науки и технологий и Московского педагогического государственного университета, в исследовании принимали участие сотрудники трех институтов Российской академии наук: Института спектроскопии, Института физики высоких давлений и Физического института имени П. Н. Лебедева. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
6 часов назад
Александр Березин

Компания Neuralink, при помощи которой предприниматель Илон Маск надеется совершить революцию в интерфейсах «мозг-компьютер» (BCI), впервые имплантировала человеку устройство «чтения мыслей». Об этом Маск сообщил в твите, опубликованном 29 января. Однако, некоторые обеспокоены отсутствием прозрачности вокруг имплантата, который должен дать возможность управлять устройствами посредством мысли. Реакции ученых и экспертов на это событие обобщает медиа-редакция Nature, а Naked Science приводит перевод этой статьи.

Вчера, 15:10
Александр Березин

Открытие трех тел, вращающихся вокруг Урана и Нептуна достаточно необычно. Последний раз новую луну у Урана находили более 20 лет назад.

23 февраля
Полина

Многие родители стремятся отдать детей в двуязычную школу, чтобы те развивались лучше и быстрее. Однако такое образование способно даже навредить ребенку, показало исследование.

Позавчера, 15:03
Дарья Боголюбова

Огромное число экзопланет, формально лежащих в зоне обитаемости, на деле могут быть малопригодными для жизни, полагают авторы новой научной работы. Причем виноват в этом весьма неожиданный фактор переменного тока.

23 февраля
Полина

Многие родители стремятся отдать детей в двуязычную школу, чтобы те развивались лучше и быстрее. Однако такое образование способно даже навредить ребенку, показало исследование.

Позавчера, 08:56
Михаил Орлов

Змеи — широко распространенные и разнообразные рептилии, которые очень близки ящерицам и в ходе эволюции произошли именно от них. Среди более четырех тысяч видов змей есть жители почти всех континентов и крупных островов, освоившие самые разнообразные экологические ниши и способные питаться почти кем угодно. Авторы новой статьи в Science проанализировали геномы более тысячи видов чешуйчатых (змей и ящериц), данные об их рационе и объяснили, как возникло уникальное разнообразие змей.

20 февраля
Полина

В Российской академии наук завершили первый Большой словарь ударений, его издадут к концу года. Лингвисты собрали наиболее современные нормы произношения привычных слов и зафиксировали ударение для лексики, которая появилась в русском языке недавно.

1 февраля
Андрей

Канадские исследователи изучили состав пород, вышедших на поверхность при появлении первых континентов. По итогам анализа выяснилось, что новая земная кора возникла не в результате движения тектонических плит, а из-за процессов в океанических плато молодой Земли.

15 февраля
Дарья Губина

Титан — самый органически богатый спутник с глобальным океаном в Солнечной системе. И все же, сопоставив строение его поверхности с интенсивностью падения метеоритов, ученые пришли к выводу, что в океане спутника Сатурна вряд ли хватает элементов для жизни.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: