具有色心的微金剛石具有獨特的光物理性質(zhì)。該研究在室溫下發(fā)現(xiàn)了許多高壓高溫微金剛石的光致發(fā)光，其全寬半寬低至0.5 nm(波長630.15 nm≈390 GHz)。相關(guān)光譜學(xué)證明這些譜線來源于單光子發(fā)射器。對單個發(fā)射器的光致發(fā)光和光致發(fā)光激發(fā)光譜的研究表明，聲子邊帶和窄帶激發(fā)可以忽略不計。證明了溫度靈敏度、穩(wěn)定的光致發(fā)光、亮度、線性偏振和熒光壽命≈1.5–2.5 ns。結(jié)果表明，已發(fā)現(xiàn)的“神秘”發(fā)射器在量子光學(xué)、熒光標(biāo)記和高分辨率測溫學(xué)方面的應(yīng)用具有巨大潛力。

       圖. 黑白圖片顯示了用掃描電子顯微鏡看到的微金剛石晶體。帶有分散色斑的疊加藍(lán)色方塊是熒光顯微鏡圖像，突出顯示了該研究作者發(fā)現(xiàn)的新色中心。這些缺陷會在狹窄的光譜范圍內(nèi)重新發(fā)射先前吸收的光。也就是說，如右圖所示，大部分發(fā)射發(fā)生在約630納米的波長處。該峰的優(yōu)點是清晰可辨，并且會根據(jù)環(huán)境溫度而變化，從而使金剛石可用作遠(yuǎn)程溫度傳感器。

圖片來源：Arthur Neliubov/Skoltech

       來自Skoltech，莫斯科師范國立大學(xué)和其他研究中心的科學(xué)家在金剛石中發(fā)現(xiàn)了一類新的缺陷，可用于量子信息處理以及非常小的物體（如活細(xì)胞）內(nèi)的精確和遠(yuǎn)程溫度測量。這一發(fā)現(xiàn)以“Enigmatic color centers in microdiamonds with bright, stable, and narrow-band fluorescence” 為題發(fā)表在 Physical Review B 上。

       色心是透明晶體(通常是金剛石)中各種性質(zhì)缺陷的總稱。一般來說，色心是一個外來原子，比如氮原子，與金剛石的晶格結(jié)合在一起，而附近的一個或多個碳原子則缺失。

       色心之所以得名，是因為它們的光學(xué)特性。雖然金剛石本身對可見光是透明的，但色心是其中的斑點，具有技術(shù)吸引力的能力，可以吸收光并在相當(dāng)窄的光譜帶（即具有非常特定的顏色（波長））中有效地重新發(fā)射光。重要的是，色心可以有效地發(fā)射單光子。這種窄帶單光子發(fā)射有幾個潛在的應(yīng)用。

       單光子是量子光學(xué)和量子信息應(yīng)用的基石。例如，這種光子對終極數(shù)據(jù)安全技術(shù)——量子加密——很有用。它使雙方之間的信息傳輸安全，并涉及加密消息和密鑰的交換。密鑰需要通過安全通道傳輸，一些量子密鑰分發(fā)協(xié)議需要單個不可區(qū)分光子的有效源。這意味著發(fā)射光子的參數(shù)，如偏振和波長，必須與高精度相吻合。

       從色心發(fā)射光子的另一個令人興奮的特性是發(fā)射光的波長對環(huán)境溫度很敏感。這意味著這些缺陷產(chǎn)生的光子攜帶著金剛石所在環(huán)境溫度的信息。考慮到科學(xué)家們可以制造出嵌入色心的納米金剛石，就有可能制造出具有高空間和溫度分辨率的非常小的溫度計。根據(jù)研究人員的說法，這種溫度傳感在生物應(yīng)用中效果很好。在其他研究中，納米金剛石已經(jīng)被引入細(xì)胞來研究內(nèi)部溫度變化。

       “金剛石的色中心已經(jīng)為人所知并研究了大約40年。就潛在的技術(shù)應(yīng)用而言，我們發(fā)現(xiàn)的新品種具有優(yōu)越的性能。也就是說，從我們中心發(fā)射的光譜范圍比以前所有已知的色中心窄了近10倍。窄帶發(fā)射和高亮度將使溫度計更靈敏，”該研究的主要作者，Skoltech博士生Arthur Neliubov評論道。

       他補充說，新色中心的另一個有趣的特性是窄帶激發(fā)：它們不僅在窄光譜帶發(fā)射光，而且還選擇性地吸收光。在某種程度上，每個顏色中心，即使是同一類，都有一點不同，有一些應(yīng)用程序可以利用這一點，以非常有針對性的方式引起它們的反應(yīng)。一個例子是生物學(xué)中使用的一種被稱為多色成像的分析技術(shù)，在這種技術(shù)中，“有缺陷的”微金剛石可以作為無毒、無放射性和高度獨特的生物標(biāo)志物派上用場。

       到目前為止，新的色心是通過熒光光譜上的一組特征來識別的，這些特征表征了金剛石樣品發(fā)出的光。然而，這些缺陷中心的實際性質(zhì)尚不清楚。研究人員有一些猜測，但表示需要更多的研究。

       “我們沒有故意引入任何缺陷，但我們研究中報告的顏色中心在三個不同批次的純合成微金剛石中僅略有變化，”Neliubov說。“微金剛石是通過高壓、高溫合成生產(chǎn)的，使用一種叫做金剛烷的有機化合物作為前體。這些顏色中心是否也出現(xiàn)在天然鉆石和其他方法生產(chǎn)的合成鉆石中還有待確定。”

       該團隊對新發(fā)現(xiàn)的色心的其他未來研究計劃包括研究它們在極低溫度下的光學(xué)特性。事實上，這可能會暴露出構(gòu)成色心的晶格的物理缺陷。

       根據(jù)該團隊的說法，由于開發(fā)了一種新方法，這一發(fā)現(xiàn)成為可能。研究人員設(shè)法結(jié)合了兩種不同的實驗技術(shù)：掃描電子顯微鏡和熒光光譜。“這使我們能夠標(biāo)記最有趣的具有色心的微金剛石，并使用不同的設(shè)備在同一顆金剛石上進行多個系列的實驗。此外，實驗設(shè)置的高靈敏度使我們能夠?qū)⒎治龇糯蟮轿覀儾榭磫蝹€顏色中心的位置。這就是我們?nèi)绾蚊枋鲞@種新型發(fā)射器，“Neliubov解釋說。

文獻信息：

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

來源：Skoltech