Алмаз — это не только символ роскоши. Его уникальные физические свойства — исключительная твердость, теплопроводность, химическая стойкость — делают его незаменимым в промышленности. Но есть у алмаза и квантовое измерение. В кристаллической решетке алмаза, состоящей из атомов углерода, могут существовать точечные дефекты. Самый известный из них — NV-центр (азотно-вакансионный центр). Это место, где один атом углерода замещен атомом азота, а соседний атом углерода отсутствует, создавая так называемую «вакансию».
Что делает NV-центр особенным? Если на него направить зеленый свет, он начинает светиться красным. И яркость этого свечения зависит от того, что происходит вокруг: меняется магнитное поле, температура, давление, механическое напряжение. Это позволяет использовать NV-центры как наноразмерные датчики, способные «чувствовать» магнитные сигналы от отдельных молекул.
Но есть проблема: создание таких «квантовых» алмазов — сложный и дорогой процесс. Обычно для этого используют высококачественные монокристаллические алмазы, которые крайне дефицитны и дороги. Кроме того, NV-центры нужно создавать близко к поверхности алмаза, чтобы они могли детектировать сигналы извне, но это технически трудно.
Группа ученых из Австралии и Японии предлагает альтернативный путь. Вместо дорогих монокристаллов они используют алмазную пыль — крошечные частицы, которые являются отходами промышленных процессов. Задача — превратить этот дешевый материал в высококачественные наноалмазы с нужными квантовыми свойствами, которые можно производить в промышленных масштабах.
Процесс выглядит примерно так. Алмазную пыль облучают (чтобы «выбить» атомы углерода и создать вакансии), а затем нагревают, чтобы вакансии «мигрировали» к атомам азота и формировали NV-центры. Ключевая сложность — контроль: NV-центры должны быть именно на поверхности наночастиц, а не в глубине, иначе они не смогут детектировать внешние сигналы. Кроме того, поверхность самих наноалмазов критически влияет на стабильность, яркость и чувствительность сенсора.
Для этого проекта японские партнеры предоставили доступ к квантовым пучковым установкам и облучательным мощностям, которых нет в Австралии. Австралийская сторона, в свою очередь, привнесла экспертизу в наноматериалах, поверхностной химии и квантовом сенсоринге. Конечная цель — создать полностью автономный австралийский технологический процесс, который не будет зависеть от глобальных цепочек поставок.
Подход обладает большим потенциалом. Квантовые сенсоры на основе алмазных NV-центров работают при комнатной температуре (в отличие от многих других квантовых систем, требующих охлаждения до криогенных температур). Это делает их идеальными для портативных, полевых устройств. Среди возможных применений: обнаружение загрязнителей в воде, идентификация биомаркеров болезней (например, ранняя диагностика рака), мониторинг химических процессов в реальном времени, а также системы навигации, не зависящие от GPS, и защита от угроз.
В следующей фазе исследователи сосредоточатся на улучшении воспроизводимости и контроля: как именно NV-центры располагаются относительно поверхности и как обрабатывается поверхность наноалмазов для стабильности. Партнеры будут тестировать материалы в реальных сценариях сенсоринга. Если ученым удастся масштабировать этот процесс, Австралия сможет создавать собственные передовые квантовые сенсоры, не полагаясь на импорт, и захватить значительную долю в быстрорастущей глобальной квантовой экономике.
Ранее Наука Mail рассказывала о раскрытии секрета сверхпроводимости в алмазах.
