Il diamante puro è costituito da atomi di carbonio in un reticolo cristallino perfetto. Ma rimuovi alcuni carboni e scambiane altri con azoto, e ottieni un diamante con speciali proprietà di rilevamento quantistico. Queste proprietà sono utili per le applicazioni di informazione quantistica e il rilevamento di campi magnetici, e come piattaforma per sondare i misteri della fisica quantistica.

Quando un atomo di azoto è vicino allo spazio lasciato vuoto da un atomo di carbonio, forma quello che viene chiamato un centro di azoto vacante (NV). Ora, i ricercatori hanno dimostrato come possono creare più centri NV, che facilita il rilevamento dei campi magnetici, utilizzando un metodo relativamente semplice che può essere eseguito in molti laboratori. Descrivono i loro risultati questa settimana in Lettere di fisica applicata .

Il rilevamento del campo magnetico rappresenta un ottimo esempio dell'importanza di questo rilevamento. La luce verde può indurre i centri NV a diventare fluorescenti ed emettere luce rossa, ma la quantità di questa fluorescenza cambia in presenza di un campo magnetico. Misurando la luminosità della fluorescenza, i centri Diamond NV possono aiutare a determinare l'intensità del campo magnetico. Un tale dispositivo può creare immagini magnetiche di una gamma di tipi di campioni, comprese rocce e tessuti biologici.

La sensibilità di questo tipo di rilevamento magnetico è determinata dalla concentrazione dei centri NV mentre i posti vacanti che non sono associati all'azoto creano rumore. Conversione efficiente di posti vacanti in centri NV, perciò, oltre a massimizzare la concentrazione dei centri NV, svolge un ruolo chiave nel far progredire questi metodi di rilevamento.

I ricercatori in genere acquistano diamanti drogati con azoto da una società separata. Quindi bombardano il diamante con elettroni, protoni o altre particelle, che strappano via alcuni degli atomi di carbonio, lasciando posti vacanti. Finalmente, un processo di riscaldamento chiamato ricottura spinge i posti vacanti vicino agli atomi di azoto per formare i centri NV. Il problema è che l'irradiazione spesso richiede l'invio del campione a una struttura separata, che è costoso e richiede tempo.

"La particolarità del nostro approccio è che è molto semplice e diretto, " ha affermato Dima Farfurnik dell'Università Ebraica di Gerusalemme in Israele. "Si ottengono concentrazioni di NV sufficientemente elevate che sono appropriate per molte applicazioni con una semplice procedura che può essere eseguita internamente".

Il loro metodo utilizza il bombardamento di elettroni ad alta energia in un microscopio elettronico a trasmissione (TEM), uno strumento accessibile a molti ricercatori, creare localmente centri NV. Normalmente, un TEM viene utilizzato per l'immagine di materiali fino a risoluzioni subnanometriche, ma il suo stretto fascio di elettroni può anche irradiare diamanti.

Altri hanno dimostrato che i TEM possono creare centri NV in campioni di diamanti specializzati, ma i ricercatori di questo studio hanno testato con successo il metodo su diversi campioni di diamanti disponibili in commercio.

In un tipico, campione non trattato, meno dell'1% degli atomi di azoto forma centri NV. Ma usando un TEM, i ricercatori hanno aumentato questa efficienza di conversione fino al 10%. In certi casi, i campioni hanno raggiunto il limite di saturazione, e più irradiazione non era più efficace. Per altri campioni, però, i ricercatori non hanno raggiunto questo limite, suggerendo che l'irradiazione aggiuntiva potrebbe aumentare ulteriormente l'efficienza. Con maggiori efficienze di conversione, e piccoli volumi di irraggiamento possibili con un TEM, dispositivi come i sensori magnetici potrebbero essere più compatti.

Per assicurarsi che il metodo non ostacolasse l'efficacia delle NV in applicazioni come il rilevamento di campi magnetici, i ricercatori hanno confermato che il periodo di tempo in cui i centri NV rimangono nei loro stati, il tempo di coerenza, non è cambiato.

Confezionare un numero sufficiente di centri NV in un diamante consentirebbe ai fisici di sondare le interazioni quantistiche tra i centri stessi. Questa ricerca potrebbe consentire la creazione di uno stato quantico unico chiamato stato spremuto, che non è mai stato dimostrato prima in modo solido e potrebbe spingere le capacità di rilevamento di questi sistemi oltre i limiti classici odierni.

"Speriamo che il maggior numero di centri NV dovuto all'irradiazione serva da trampolino di lancio per questo obiettivo a lungo termine e ambizioso, " ha detto Farfurnik.