Ren diamant består av kolatomer i ett perfekt kristallgitter. Men ta bort några kol och byt ut några andra mot kväve, och du får en diamant med speciella kvantavkännande egenskaper. Dessa egenskaper är användbara för kvantinformationstillämpningar och avkänning av magnetfält, och som en plattform för att undersöka kvantfysikens mysterier.

När en kväveatom är bredvid utrymmet som utryms av en kolatom, det bildar vad som kallas ett kvävevakanscentrum (NV). Nu, forskare har visat hur de kan skapa fler NV-centra, vilket gör det lättare att känna av magnetfält, med en relativt enkel metod som kan göras i många labb. De beskriver sina resultat denna vecka i Bokstäver i tillämpad fysik .

Magnetfältsavkänning är ett utmärkt exempel på betydelsen av denna avkänning. Grönt ljus kan få NV-centra att fluorescera och avge rött ljus, men mängden av denna fluorescens ändras i närvaro av ett magnetfält. Genom att mäta ljusstyrkan hos fluorescensen, diamond NV-centra kan hjälpa till att bestämma magnetfältets styrka. En sådan anordning kan göra magnetiska bilder av en rad provtyper, inklusive stenar och biologisk vävnad.

Känsligheten för denna typ av magnetisk detektion bestäms av koncentrationen av NV-centra medan vakanser som inte är parade med kväve skapar brus. Effektiv omvandling av vakanser till NV-centra, därför, samt maximera koncentrationen av NV-centra, spelar en nyckelroll för att främja dessa detektionsmetoder.

Forskare köper vanligtvis kvävedopade diamanter från ett separat företag. De bombarderar sedan diamanten med elektroner, protoner eller andra partiklar, som tar bort en del av kolatomerna, lämnar efter sig vakanser. Till sist, en uppvärmningsprocess som kallas annealing knuffar vakanserna bredvid kväveatomerna för att bilda NV-centra. Problemet är att bestrålning ofta kräver att du skickar ditt prov till en separat anläggning, vilket är dyrt och tidskrävande.

"Det som är speciellt med vårt tillvägagångssätt är att det är väldigt enkelt och väldigt okomplicerat, " sa Dima Farfurnik från hebreiska universitetet i Jerusalem i Israel. "Du får tillräckligt höga NV-koncentrationer som är lämpliga för många tillämpningar med en enkel procedur som kan göras internt."

Deras metod använder högenergielektronbombardement i ett transmissionselektronmikroskop (TEM), ett instrument som är tillgängligt för många forskare, att lokalt skapa NV-centra. I vanliga fall, en TEM används för att avbilda material ner till subnanometerupplösningar, men dess smala elektronstråle kan också bestråla diamanter.

Andra har visat att TEM kan skapa NV-center i specialiserade diamantprover, men forskarna i denna studie testade framgångsrikt metoden på flera kommersiellt tillgängliga diamantprover.

I en typisk, obehandlat prov, mindre än 1 procent av kväveatomerna bildar NV-centra. Men genom att använda en TEM, forskarna ökade denna konverteringseffektivitet till så hög som 10 procent. I vissa fall, proverna nådde sin mättnadsgräns, och mer bestrålning var inte längre effektiv. För andra prover, dock, forskarna nådde inte denna gräns, vilket tyder på att ytterligare bestrålning skulle kunna öka effektiviteten ytterligare. Med högre konverteringseffektivitet, och små bestrålningsvolymer möjliga med en TEM, enheter som magnetiska sensorer kan vara mer kompakta.

För att säkerställa att metoden inte hindrade effektiviteten hos NV:er i applikationer som avkänning av magnetfält, forskarna bekräftade att den tid som NV-centra förblir i sina stater – koherenstiden – inte förändrades.

Att packa tillräckligt med NV-centra i en diamant skulle tillåta fysiker att undersöka kvantinteraktionerna mellan centren själva. Denna forskning kan möjliggöra skapandet av ett unikt kvanttillstånd som kallas ett pressat tillstånd, som aldrig tidigare har visats i en solid och skulle kunna driva avkänningsförmågan hos dessa system bortom dagens klassiska gränser.

"Vi hoppas att det ökade antalet NV-centra på grund av bestrålning kommer att fungera som ett språngbräde för detta långsiktiga och ambitiösa mål, sa Farfurnik.