Japanska forskare har optimerat designen av laboratorieodlade, syntetiska diamanter. Detta för den nya tekniken ett steg närmare att förbättra biosensingapplikationer, såsom magnetisk hjärnavbildning. Fördelarna med detta lager, smörgåsliknande, diamantstruktur beskrivs i ett färskt nummer av Bokstäver i tillämpad fysik .
Kemiska processer används för att skapa stora diamantskivor för industriella tillämpningar. Konstgjorda diamanter kan odlas på olika ytor för att öka hårdheten och minska slitaget på verktyg, eller att dra fördel av diamants höga värmeledningsförmåga som kylfläns för elektronik. Forskare kan manipulera egenskaperna hos konstgjorda diamanter genom att ändra deras kemiska sammansättning. Denna kemiska manipulation kallas doping. Dessa "dopade" diamanter har visat sig vara ett billigt alternativt material för en rad olika teknologier – från kvantinformation till biosensing – som annars skulle ha varit oöverkomligt dyra att utveckla.
Diamanter designade med kvävevakanscenter (NV) som kan upptäcka förändringar i magnetfält är ett kraftfullt verktyg för bioavkänningsteknologier och används vid medicinsk upptäckt och diagnos av sjukdomar. Till exempel, magnetoencefalografi (MEG) är en neuroavbildningsteknik som används för att kartlägga hjärnaktivitet och spåra patologiska avvikelser, såsom epileptisk vävnad.
"MEG är kommersiellt tillgänglig och används på vissa sjukhus men är väldigt dyr så det används inte många MEG, " sa Norikazu Mizuochi, en författare på tidningen. Mizuochi förklarade att användning av diamanter med NV-center skulle minska utrustningskostnaderna för MEG-diagnoser.
Dock, dessa bioavkänningsteknologier kräver ljusaktivering, vilket inducerar laddningsväxling i NV-centra. Neutrala NV-centra kan inte detektera magnetfält exakt, så införandet av byte är fortfarande en utmaning för diamantanvändning. "Endast minus [negativ] laddning kan användas för sådana avkänningsapplikationer, därför är det viktigt att stabilisera [NV] centra för driften, " sa Mizuochi.
Forskarna hade tidigare dopat en enkel diamantstruktur med fosfor för att stabilisera NV-centra. Fosfordopning förde över 90 procent av NV-centra till negativt laddningstillstånd, möjliggör detektering av magnetfält. Dock, fosforn introducerade brus till avläsningen, förnekar det positiva resultatet.
I den här studien, teamet anpassade diamantdesignen för att bevara stabiliseringen av negativa NV-centra, men tog bort det fosforinducerade bruset. De använde en skiktad struktur, som en smörgås, med fosfordopad diamant som bröd, och bifogade en 10μm tjock NV-center diamantfyllning. Detta stabiliserade 70-80 procent av NV-centra i negativt laddningstillstånd, samtidigt som bullret som tidigare setts i systemet reduceras.
"Just nu, vi har just visat stabilisering, men vi förväntar oss att det också förbättrar känsligheten, " sa Mizuochi. Hans team testar för närvarande den nya designens känslighet för förändringar i magnetfält, och hoppas att denna struktur kan användas för biosensing-applikationer som MEG.
