Kvantmekanik, fysiken som styr naturen på atomär och subatomär skala, innehåller en mängd nya fysiska fenomen för att utforska kvanttillstånd på nanoskala. Även om det är knepigt, det finns sätt att utnyttja dessa i sig ömtåliga och känsliga system för kvantavkänning. Särskilt en ny teknik använder sig av punktdefekter, eller enatoms felplaceringar, i nanoskala material, såsom diamantnanopartiklar, att mäta elektromagnetiska fält, temperatur, tryck, frekvens och andra variabler med oöverträffad precision och noggrannhet.

Kvantavkänning kan revolutionera medicinsk diagnostik, möjliggöra utveckling av nya läkemedel, förbättra designen av elektroniska enheter och mer.

För användning i kvantavkänning, nanodiamantkristallen som omger punktdefekten måste vara mycket perfekt. Varje avvikelse från perfektion, såsom ytterligare saknade atomer, sila i diamantens kristallina gitter, eller närvaron av andra föroreningar, kommer att negativt påverka materialets kvantbeteende. Mycket perfekta nanodiamanter är också ganska dyra och svåra att göra.

Ett billigare alternativ, säger forskare vid Argonne National Laboratory och University of Chicago, är att ta defekter, låg kvalitet, kommersiellt tillverkade diamanter, och sedan "läka" dem.

I en tidning som publicerades denna vecka i APL-material , från AIP Publishing, forskarna beskriver en metod för att läka diamant nanokristaller under höga temperaturer, medan du visualiserar kristallerna i tre dimensioner med hjälp av en röntgenteknik.

"Kvantavkänning är baserad på de unika egenskaperna hos vissa optiskt aktiva punktdefekter i halvledarnanostrukturer, " sade F. Joseph Heremans, en forskare från Argonne National Laboratory och medförfattare på uppsatsen.

Dessa defekter, såsom kvävevakans (NV) centra i diamant, skapas när en kväveatom ersätter en kolatom intill en ledig plats i diamantgitterstrukturen. De är extremt känsliga för sin miljö, gör dem användbara sonder av lokala temperaturer, såväl som elektriska och magnetiska fält, med en rumslig upplösning som är mer än 100 gånger mindre än tjockleken på ett människohår.

Eftersom diamanter är biologiskt inerta, kvantsensorer baserade på diamantnanopartiklar, som kan arbeta vid rumstemperatur och detektera flera faktorer samtidigt, kan till och med placeras i levande celler, där de kunde, enligt Heremans, "bildsystem inifrån och ut."

Heremans och hans kollegor, inklusive Argonnes Wonsuk Cha och Paul Fuoss, samt David Awschalom från University of Chicago, för att kartlägga fördelningen av kristallstammen i nanodiamanter och spåra läkningen av dessa brister genom att utsätta dem för höga temperaturer, upp till 800 grader Celsius i en inert heliummiljö.

"Vår idé med "läkningsprocessen" är att luckor i gittret fylls när atomerna rör sig när kristallen värms upp till höga temperaturer, därigenom förbättra homogeniteten hos kristallgittret, sade Stephan Hruszkewycz, också en stabsforskare vid Argonne och huvudförfattare på tidningen.

Denna nanodiamantläkning övervakades med en 3-D mikroskopimetod som kallas Bragg coherent diffraction imaging, utförs genom att utsätta kristallerna för en koherent röntgenstråle vid den avancerade fotonkällan i Argonne. Röntgenstrålen som sprider bort nanodiamanterna upptäcktes och användes för att rekonstruera 3D-formen av nanokristallen, "och, mer viktigt, töjningstillståndet för kristallen, " sa Hruszkewycz.

Forskarna fann att nanodiamanter "krymper" under högtemperaturglödgningsprocessen, och antar att detta inträffar på grund av ett fenomen som kallas grafitisering. Detta fenomen uppstår när ytan på materialet omvandlas från det normala diamantgitterarrangemanget till grafit, ett enda lager av kycklingtrådsliknande arrangerade kolatomer.

Studien markerar första gången som Bragg koherent diffraktionsavbildning har visat sig vara användbar vid så höga temperaturer, en förmåga som, Hruszkewycz sa, "möjliggör utforskning av strukturella förändringar i viktiga nanokristallina material vid höga temperaturer som är svåra att komma åt med andra mikroskopitekniker."

Hruszkewycz tillade att forskningen representerar "ett betydande steg mot att utveckla skalbara metoder för bearbetning av billiga, kommersiella nanodiamanter för kvantavkänning och informationsbehandling."