Trots deras charm och lockelse, diamanter är sällan perfekta. De har små defekter som till biträdande professor Nathalie de Leon, gör dem någonsin så tilltalande. Dessa misstag i atomstorlek har en enorm potential inom teknik för högupplöst bildbehandling och säkra kommunikationslinjer.

"Historiskt sett människor kallade dessa defekter för 'färgcentra', för när du lyser på en diamant ser du ett gäng vackra färger komma tillbaka, "sa de Leon, som utses vid Institutionen för elektroteknik. Hon vill utnyttja egenskaperna hos dessa defekter till bildmolekyler och proteiner.

En diamant är ett tätt sammanfogat galler av kolatomer. Genom att sparka ut ett kol och lägga till en kväveatom i närheten, forskarna kan skapa en defekt som kallas ett "färgämnescentrum för kvävevakans". Kväveatomen och de dinglande bindningarna runt den saknade kolatomen bildar en slags molekyl inom ett litet område av diamantgitteret. Detta område av diamanten fungerar som en grönskande oas mitt i en öken, visar mycket olika egenskaper än resten av materialet.

De Leon arbetar med att använda ett färgcentrum för kväve vakans nära ytan av en diamant för att fånga bilder av molekyler. Tillvägagångssättet drar fördel av en egenskap med den defekt som kallas "spin, "vilket är analogt med momenten i en snurrande topp. Dessa snurr interagerar med molekylens magnetfält, som varierar från en del av molekylen till en annan. Signalerna från dessa interaktioner kan samlas in och bearbetas för att skapa en bild med mycket hög rumslig upplösning - tillräckligt hög för att avbilda en enda molekyl av DNA.

För att detta ska fungera, den enda signalen som kommer från diamantens yta måste vara den från färgcentret. Men det är en svår bedrift, i det ögonblick som diamanten utsätts för luft, dess ytatomer fastnar på molekyler som flyter runt. Ytterligare, att klippa eller polera ett av de hårdaste materialen i världen ger andra oönskade defekter till ytan.

Alla dessa extra signaler grumlar mätningen. Faktiskt, när forskare försöker ta bort de oönskade defekterna från en första polering, de skapar oavsiktligt fler defekter som igen måste tas bort. "Du har ett musproblem, så du släpper katterna, och du har ett kattproblem, så du släpper hundarna. Det bara fortsätter, "sa de Leon. Att hitta sätt att förbättra diamantytan är ett pågående forskningsområde, och de Leon hoppas att en kombination av kemiska behandlingar och en miljö med hög renhet kan göra susen.

Färgcentra för kommunikation

Även om dessa färgcentra så småningom kan fungera som sensorer för biologiska tillämpningar, de kan också vara grunden för nya kommunikationsnätverk - sådana som skulle göra avlyssning omöjlig.

I kvantkommunikationssystem, en avlyssnare skulle inte kunna läsa ett meddelande utan att omedelbart ändra dess tillstånd, och därmed avslöjar försöket att lura in budskapet. Det skulle också vara omöjligt att kopiera ett kvantmeddelande.

Att göra signalerna tillräckligt robusta för att resa långa sträckor har stoppat utvecklingen av kvantteknik, sa de Leon. Hon arbetar med att bygga en "repeater" som kan öka signalen och vidarebefordra den genom en kabel tills den når sin destination. Detta skulle kräva ett material som kan skapa kvantminnen. Materialet skulle lagra och återställa den ursprungliga signalen för att driva signalen genom kablarna.

"Det vi letar efter är hjärtat i denna kvantrepeterare, "sa de Leon. Hennes team upptäckte nyligen en kandidat för ett sådant hjärta:en defekt i en diamant i form av en stor kiselatom som svävar mellan två hål i gallret.

Det visar sig att denna defekt har mycket bra laddnings- och ljusegenskaper, två nödvändiga ingredienser för ett bra kvantminne. Defekten är också mer motståndskraftig mot störningar från elektriska fält från omgivningen än andra tillvägagångssätt.