科学家发现钻石缺陷可保障数据传输和测量温度

黑白图片显示的是用扫描电子显微镜看到的微钻石晶体。带有散射色斑的蓝色方块是荧光显微镜图像，突出了该研究的作者所发现的新颜色中心。这些是在一个狭窄的光谱范围内重新发射以前吸收的光的缺陷。也就是说，如右图所示，大部分的发射发生在大约630纳米的波长上。这个峰值的优点是清晰可辨，而且它随环境温度的变化而变化，使钻石可以被用作远程温度传感器。资料来源：Arthur Neliubov/Skoltech

来自Skoltech公司、莫斯科国立师范大学和其他研究中心的科学家们在钻石中发现了一类新的缺陷，这些缺陷可能用于量子信息处理和非常小的物体（如活细胞）内的精确和远程温度测量。这些发现发表在《物理评论B》的一封信中。

色心是透明晶体（通常是钻石）中各种性质缺陷的一个总称。通常情况下，色心是一个外来原子，如氮，被纳入钻石的晶格中，附近的一个或多个碳原子缺失。

色心的名称是由其光学特性决定的。虽然钻石本身对可见光是透明的，但色心是其中的一些斑点，它们具有技术上吸引人的能力，可以吸收光线，并在一个相当窄的光谱带中有效地重新发射光线，也就是说，具有非常具体的颜色（波长）。重要的是，颜色中心可以有效地发射单个光子。在一些潜在的应用中，这种窄带的单光子发射是很有用的。

单光子是量子光学和量子信息应用的构建块。例如，这种光子对于最终的数据安全技术--量子加密是有用的。它能在双方之间实现安全的信息传输，涉及到加密信息和密钥的交换。

密钥需要通过安全通道传输，而一些量子密钥分发协议需要一个有效的单体无差别光子源。这意味着，发射的光子的参数，如偏振和波长，必须高度吻合。

彩色中心发射的光子的另一个令人兴奋的特性是，发射的光的波长对环境温度敏感。这意味着这些缺陷产生的光子带有关于钻石所处环境温度的信息。

鉴于科学家可以创造出嵌入颜色中心的纳米钻石，就有可能创造出具有高空间和温度分辨率的非常小的温度计。根据研究人员的说法，这种温度感应在生物应用中会有很好的效果。在其他研究中，纳米钻石已经被引入细胞，以调查内部温度变化。

"钻石中的颜色中心已经被了解和研究了大约40年。就潜在的技术应用而言，我们发现的新品种具有卓越的特性。也就是说，与以前所有已知的色心相比，我们的色心发射的光谱范围几乎窄了10倍。这项研究的主要作者，Skoltech的博士生Arthur Neliubov评论说："窄带发射和高亮度将使温度计更加敏感。

他补充说，新颜色中心的另一个有趣的特性是窄带激发： 它们不仅在一个狭窄的光谱带中发光，而且还选择性地吸收光线。在某种程度上，即使是同一类的每一个颜色中心都有一点不同，在一些应用中可以利用这一点，以一种非常有针对性的方式从它们那里引起反应。

一个例子是生物学中使用的分析技术，即多色成像，其中 "有缺陷的 "微钻石可以作为无毒、无放射性和高度独特的生物标志物派上用场。

到目前为止，新的颜色中心是通过荧光光谱图上的一组特征来识别的，荧光光谱图是描述钻石样品所发出的光的特征。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，但表示还需要更多的研究。

Neliubov说："我们没有故意引入任何缺陷，然而在我们的研究中报告的颜色中心在来自三个不同批次的纯合成微钻石中只呈现出轻微的变化，"。

"这些微钻石是通过高压、高温合成，使用一种叫做金刚烷的有机化合物作为前体生产的。这些颜色中心是否也出现在天然钻石和用其他方法生产的合成钻石中，仍有待确定。"

该团队对新发现的颜色中心的其他未来研究计划包括研究它们在极低温度下的光学特性。事实上，这可能会揭示出晶格中的什么物理缺陷是颜色中心的基础。

根据该团队的说法，由于开发了一种新的方法，这一发现已经成为可能。研究人员设法结合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表现出颜色中心的微钻石，并使用不同的设备对同一钻石进行多个系列的实验。另外，实验装置的高灵敏度使我们能够将分析放大到观察单个颜色中心的程度。这就是我们如何能够确定这类新的发射器的特征，"Neliubov解释说。

参考资料

Arthur Yu. Neliubov et al, Enigmatic color centers in microdiamonds with bright, stable, and narrow-band fluorescence, Physical Review B (2023). DOI: 10.1103/PhysRevB.107.L081406