Nonostante il loro fascino e fascino, i diamanti sono raramente perfetti. Hanno piccoli difetti che, all'assistente professore Nathalie de Leon, renderli sempre così attraenti. Questi errori delle dimensioni di un atomo hanno un enorme potenziale nelle tecnologie per l'imaging ad alta risoluzione e linee di comunicazione sicure.

"Storicamente, la gente chiamava questi difetti "centri di colore" perché quando fai brillare la luce su un diamante vedi che un mucchio di bei colori ritornano, " disse de Leon, che è nominato nel Dipartimento di Ingegneria Elettrica. Vuole sfruttare le proprietà di questi difetti per visualizzare molecole e proteine.

Un diamante è un reticolo fitto di atomi di carbonio. Eliminando uno dei carboni e aggiungendo un atomo di azoto nelle vicinanze, i ricercatori possono creare un difetto noto come "centro colore vuoto di azoto". L'atomo di azoto e i legami penzolanti attorno all'atomo di carbonio mancante formano una sorta di molecola all'interno di una piccola area del reticolo del diamante. Questa zona del diamante si comporta come un'oasi verdeggiante nel mezzo di un deserto, mostrando proprietà molto diverse rispetto al resto del materiale.

De Leon sta lavorando sull'utilizzo di un centro di colore vuoto di azoto vicino alla superficie di un diamante per catturare immagini di molecole. L'approccio sfrutta una proprietà del difetto nota come "spin, " che è analogo al momento di una trottola. Questi spin interagiscono con il campo magnetico della molecola, che varia da una parte all'altra della molecola. I segnali di queste interazioni possono essere raccolti ed elaborati per creare un'immagine con una risoluzione spaziale molto elevata, abbastanza alta da rappresentare una singola molecola di DNA.

Perché questo funzioni, l'unico segnale che emana dalla superficie del diamante deve essere quello del centro colore. Ma questa è un'impresa difficile, come nel momento in cui il diamante è esposto all'aria, i suoi atomi di superficie si attaccano alle molecole che fluttuano intorno. Ulteriore, tagliare o lucidare uno dei materiali più duri al mondo porta in superficie altri difetti indesiderati.

Tutti questi segnali extra offuscano la misurazione. Infatti, quando i ricercatori cercano di rimuovere i difetti indesiderati da una lucidatura iniziale, creano inavvertitamente più difetti che devono essere nuovamente rimossi. "Hai un problema con il topo, così rilasci i gatti, e tu hai un problema con il gatto, così rilasci i cani. Continua semplicemente ad andare, " ha detto de Leon. Trovare modi per migliorare la superficie del diamante è un'area di ricerca in corso, e de Leon spera che una combinazione di trattamenti chimici e un ambiente di elevata purezza possa fare il trucco.

Centri colore per la comunicazione

Mentre questi centri di colore possono eventualmente servire come sensori per applicazioni biologiche, possono anche essere la base per nuove reti di comunicazione, quelle che renderebbero impossibile l'intercettazione.

Nei sistemi di comunicazione quantistica, un intercettatore non sarebbe in grado di leggere un messaggio senza alterarne immediatamente lo stato, esponendo così il tentativo di curiosare nel messaggio. Sarebbe anche impossibile copiare un messaggio quantistico.

Rendere i segnali abbastanza robusti da percorrere lunghe distanze ha bloccato lo sviluppo delle tecnologie quantistiche, ha detto de Leon. Sta lavorando per costruire un "ripetitore" in grado di amplificare il segnale e inoltrarlo tramite un cavo fino a quando non raggiunge la sua destinazione. Ciò richiederebbe un materiale in grado di creare memorie quantistiche. Il materiale memorizzerebbe e recupererebbe il segnale originale per spingere il segnale attraverso i cavi.

"Quello che stiamo cercando è il cuore di questo ripetitore quantistico, " ha detto de Leon. Il suo team ha recentemente scoperto un candidato per un tale cuore:un difetto all'interno di un diamante sotto forma di un grande atomo di silicio in bilico tra due fori nel reticolo.

Si scopre che questo difetto ha ottime proprietà di carica e luce, due ingredienti necessari per una buona memoria quantistica. Il difetto è anche più resistente alle interferenze dei campi elettrici provenienti dall'ambiente rispetto ad altri approcci.