科学家发现钻石缺陷可以保护数据传输和测量温度

来自Skoltech、莫斯科国立教育大学和其他研究中心的科学家们发现了钻石中的一类新缺陷，这些缺陷可能用于量子信息处理以及非常小的物体(例如活细胞)内的精确和远程温度测量。该发现发表在PhysicalReviewB的一封信中。

色心是透明晶体(通常是钻石)中各种性质缺陷的总称。通常，色心是掺入钻石晶格中的外来原子，例如氮，缺少一个或多个附近的碳原子。

色心之所以得名，是因为它们的光学特性。虽然钻石本身对可见光是透明的，但色心是其中的斑点，具有技术上吸引人的能力，可以吸收光线并在相当窄的光谱带内有效地重新发射光线——也就是说，具有非常特定的颜色(波长)。重要的是，色心可以有效地发射单光子。这种窄带单光子发射有几个潜在的应用可以派上用场。

单光子是量子光学和量子信息应用的基石。例如，此类光子可用于终极数据安全技术——量子加密。它使两方之间的安全信息传输成为可能，并涉及到加密消息和密钥的交换。

密钥需要通过安全通道传输，并且一些量子密钥分发协议需要有效的单一不可区分光子源。这意味着发射光子的参数，如偏振和波长，必须高度准确。

从色心发射光子的另一个令人兴奋的特性是发射光的波长对环境温度敏感。这意味着这些缺陷产生的光子携带着有关钻石所在环境温度的信息。

鉴于科学家可以制造出嵌入色心的纳米金刚石，因此可以制造出具有高空间和温度分辨率的非常小的温度计。据研究人员称，这种温度传感在生物应用中效果很好。在其他研究中，纳米金刚石已被引入细胞以研究内部温度变化。

“人们已经知道并研究了大约40年的钻石色心。就潜在技术应用而言，我们发现的新品种具有优越的特性。也就是说，我们中心的发射光谱范围几乎比所有色心窄10倍以前已知的色心。窄带发射和高亮度将使温度计更灵敏，”该研究的主要作者，Skoltech博士。学生ArthurNeliubov评论道。

他补充说，新色心的另一个有趣特性是窄带激发：它们不仅在窄光谱带内发光，而且还能选择性地吸收它。在某种程度上，即使是同一类的每个色心都有点不同，并且在某些应用程序中可以利用这一点以非常有针对性的方式引起它们的响应。

一个例子是生物学中使用的一种称为多色成像的分析技术，其中“有缺陷的”微金刚石可以作为无毒、非放射性和高度独特的生物标记物派上用场。

到目前为止，新的色心是通过荧光光谱上的一组特征来识别的——这些特征是钻石样品发出的光的特征图。然而，这些缺陷中心的实际性质尚不清楚。研究人员有几个猜测，但表示需要更多的研究。

Neliubov说：“我们并没有故意引入任何缺陷，但我们研究中报告的色心与来自三个不同批次的纯合成微金刚石之间仅存在轻微差异。”

“微型金刚石是通过高压、高温合成生产的，使用一种称为金刚烷的有机化合物作为前体。这些色心是否也出现在天然钻石和通过其他方法生产的合成钻石中还有待确定。“

该团队对新发现的色心进行未来研究的其他计划包括研究它们在极低温度下的光学特性。事实上，这可能会暴露色心下方晶格中的物理缺陷。

据该团队称，由于开发了一种新方法，这一发现成为可能。研究人员设法结合了两种不同的实验技术：扫描电子显微镜和荧光光谱。

“这使我们能够标记出最有趣的显示色心的微钻石，并使用不同的设备对同一颗钻石进行多个系列的实验。此外，实验装置的高灵敏度使我们能够将分析放大到我们正在寻找的点在各个颜色中心。这就是我们如何描述这种新型发射器的特征，”Neliubov解释道。

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