Ученые Центра радиофотоники и СВЧ технологий НИЯУ МИФИ получили и исследовали кристаллы сверхчистого синтетического алмаза, искусственно обогащенные углеродом-13. Это один из изотопов углерода, ядро атома которого содержит шесть протонов и семь нейтронов. Изотоп сравнительно редкий — на него приходится примерно 1,1 процент всего природного углерода на Земле. В ходе проведенного исследования были получены кристаллы алмазов, покрытые эпитаксиальными (наращенными) слоями, полностью состоящими из углерода-13.
Получены кристаллы сверхчистого синтетического алмаза, искусственно обогащенные углеродом-13 для применений в квантовой сенсорике / ©Getty images
Задачей ученых было изучение взаимодействий атомов углерода-13 с азотно-вакансионными центрами. Так называют особый дефект, который встречается в алмазах. Вообще говоря, алмаз — это чистый углерод, однако даже в монокристаллах алмазов могут встречаются точенные дефекты, когда один атом углерода замещается атомом азота, а в соседнем узле кристаллической решетке одного атома углерода просто не хватает – вместо него имеется «вакансия». Вот такое сочетание атома азота с «вакансией» в кристаллической решетке алмаза и называется азотно-вакансионным центром или NV-центром.
Важнейшая особенность NV-центра заключается в том, что его флюоресценция меняется в зависимости от малейшего изменения действующих на него физических полей, причем этот эффект наблюдается даже при комнатной температуре. Специалисты считают, что азотно-вакансионные центры в алмазах использованы в качестве сенсоров для измерения слабых магнитных полей, а также температуры с высоким (нанометровым) пространственным разрешением. Теоретически существует возможность с их помощью детектировать одиночные электронные и даже ядерные спины на нанометровых расстояниях. В перспективе это может привести к созданию нового направления сенсорики на основе ядерного магнитного резонанса – спектроскопии наноразмерных образцов.
В ходе проведенных в НИЯУ МИФИ исследований были изучены особенности флуоресценции ансамблей, состоящие из атомов углерода-13 и одиночных NV-центров в экспериментальных образцах. На основе выполненных исследований предложен метод векторной магнитометрии, реализуемой с помощью одиночной спиновой системы, включающей один атом изотопа углерода и один азотно-вакансионный центр, прием атом углерода-13 расположен в третьей координационной сфере относительно азотно-вакансионного дефекта (условно говоря – над ним).
В данной систем, благодаря сверхтонкому взаимодействию электронного и ядерного спинов, имеет место зависимость энергетических уровней комплекса от азимутального угла, регистрация которой позволяет осуществлять полную векторную магнитометрию.
Полученные результаты могут быть в ближайшем времени использованы для построения прототипов сенсоров магнитного поля сверхвысокого разрешения. Подобные сенсоры будут обладать чувствительностью на уроне 1 нТл/Гц1/2 при пространственном разрешении ~ 10 нм и <1 пТл/Гц1/2 при пространственном разрешении около 10 мкм. Исключительно важным является то обстоятельство, что такие измерения можно проводить при комнатных температурах. В частности, на основе полученных результатов в рамках программы развития отечественного научного приборостроения планируется разработка измерительного комплекса для сканирующей квантовой магнитометрии.
