There is 1 related live offer.

Save 25% on magneTherm

Die Diamant-Drehbewegung: Großartige Anwendungen für Wirklich Kleine Diamanten

durch Prof James Rabeau

Außerordentlicher Professor James Rabeau, Gruppenleiter, Quantums-Materialien und Anwendungen (QMApp); Australischer Forschungsrat-Zukünftiges Gegenstück, Abteilung von Physik, Macquarie-Universität
Entsprechender Autor: jrabeau@science.mq.edu.au

Diamant ist für seine extremen Eigenschaften, einschließlich Härte, chemische und biologische Untätigkeit, hohe Debye-Temperatur, hohe Wärmeleitfähigkeit und Leichtigkeit Bio-functionalisation weithin bekannt, einige zu benennen.

In den letzten 10 Jahren hat Diamant als technologisches Material ein erneuertes und zunehmendes Zinsniveau mit echtem Potenzial gesehen. Eine Schlüsselanforderung, einige der spätesten möglichen Anwendungen für Diamanten zu aktivieren beruht schwer auf der Fähigkeit, die Fälschung zu steuern und herzustellen und versteht das Verhalten von nanoscale Diamanten (einige weniger als 5 nm im Durchmesser).

Um die Aufgabe zu machen, die und wissenschaftlich interessant angefochten wird, ist es nicht der Diamantkristall selbst der von den Hauptzinsen ist, aber eher die „Defekte“, die in den Diamantkristallhauptrechner integriert werden. Es gibt ein beträchtliches Gehäuse der Literatur erhältlich auf der Inkorporation und der Äusserung von Verunreinigungen im Diamanten1, und von diesen, gekennzeichnet eine große Zahl als „Farbmitten“ hingegen sie Leuchte absorbieren oder ausstrahlen.

Indem wir hochmoderne Mikroskopie- und Spektroskopietechniken für simultane Befragung von nanoscale Nachrichten integrieren, haben wir jetzt die Hilfsmittel an unserer Beseitigung, zum der kompletten Kennzeichnung der optischen Eigenschaften von Materialien mit drastisch verringerter Dimensionalität zu aktivieren. Verbunden mit der theoretischen Formung von nanoparticles und einer Reichweite der Werkstoffverarbeitungsfähigkeiten ist es möglich, das Verhalten von nanoscale Partikeln, nämlich nanodiamonds vorauszusagen, zu ändern und zu messen.

Eine Vielzahl von Verunreinigungen im Diamantshowversprechen, einschließlich Stickstoff, Nickel, Chrom und Silikon stand in Verbindung. Der Fokus hier ist auf der Mitte der Stickstofffreien Stelle Farb(NANOVOLT) bildhaft gezeigt in Abbildung 1. Die NANOVOLT-Mitte besteht aus einem stellvertretenden Stickstoffatom neben einer Kohlenstofffreien stelle im Diamantgitter. Sie ist bei Zimmertemperatur Foto-stabil und hat einen hohen optischen Querschnitt und eine Quantenausbeute, die folglich den Befund von Photonen von einer einzelnen Verunreinigung aktivieren2.

Abbildung 1. Die Mitte (NV) der Stickstofffreien Stelle im Diamanten, welche aus einer N-Atom und Gitterfreien stelle in C3v-Symmetrie besteht. Diese „optisch aktive“ Farbmitte absorbiert UV-Kräfte Leuchte und strahlt in die Kräfte-NIR Region des elektromagnetischen Spektrums aus. Sie hat nahe Einheitsquantenausbeute und ist der ideale Baustein für eine Reichweite des Quantums und der biologischen Technologien.

Es gibt drei breite Bereiche, in denen Farbmitten im nanodiamond eine neue und beträchtliche Rolle spielen: Biomedizinische Darstellung, Technologien Nanometrology und Quantum. Quantums-Material- und -anwendungs(QMApp) Forschungsgruppe an Macquarie-Universität hat Projekte innerhalb jeder dieser Unterpositionen, die durch ein starkes Materialfälschungs- und -kennzeichnungsrückgrat untermauert werden, das eingebautes Feed-back liefert, um nanodiamonds für spezifische Anwendungen zu optimieren.

Nachrichten auf einer Schuppe unterhalb der herkömmlichen Grenzen Zu Messen (z.B. begrenzt durch Beugung der Leuchte, die Abmessungen eines Fühlers oder die Zustand der Probe) ist von den kritischen Zinsen zum Verständnis der Zelle und der Funktion aller biologischen Prozesse. Wie unten beschrieben, hält nanodiamond einen Platz auf diesem Gebiet aus zwei Gründen an: es fluoresziert hell und sein optisches Signal ist gegen Magnetfeldfluktuieren anfällig.

Diamant Biolabels

Biologische Prozesse der Darstellung unter Verwendung der Leuchtstoffbiolabels, befestigt zum Beispiel zu einem Molekül von Zinsen bewegend innerhalb eines Netzes von Zellen, ist eine gut eingerichtete Technologie, jedoch aus verschiedenen Gründen hat die Technik nicht sein volles Potenzial erreicht. Herkömmliche fluorophores blinken häufig ein und weg während des Darstellungsprozesses, oder des sonst Bleichmittels eine Grenze auf die Zeit und die Frequenz irreversibel folglich legend, zu denen fluorophore beobachtet werden kann.

Außerdem macht die Giftigkeit von bestimmten fluorophores Live-zellendarstellung unmöglich. Nanodiamonds sind als viel versprechende Alternative für bestimmte Anwendungen erkannt worden. Obgleich etwas vorhandene fluorophores nanodiamond für bestimmte Implementierungen überlegen sind, scheint es klar, dass nanodiamonds eine Nische in der Bio-darstellung füllen, in der langfristiges photostability, Widerstand zum Blinken oder Bleiche und Nichtcytotoxizität gefordert werden.

Ungeheurer Fortschritt ist weltweit in sich entwickelnden nanodiamonds als Leuchtstoffbiolabels gemacht worden, und es gibt echtes Versprechen3 . Eine Schlüsselherausforderung ist jedoch, genügende optisch aktiven Defekte in einen Diamanten zu packen, der genug klein ist, um nicht biologische Prozesse zu behindern. Sie fällt diesen Schritt ist nicht so Geradeaus aus.

Unter einer Reichweite der Fälschungszustände, ist es wesentlich, die „Helligkeit“ als Funktion der Teilchengröße zu bestimmen und einen vorbestimmten Rahmen für die Herstellung von hellen Lumineszenz-nanodiamonds von bestimmten Größen ideal zu entwickeln4. Um an die ideale Einfuhrüberwachung unter 5 nm unten zu gelangen, hat Aufmerksamkeit sich an ein Material gewendet, das „Detonation nanodiamond“ genannt wird, das eine sehr schmale Korngrößenverteilung hat, die herum 4 nm zentriert wird.

Abbildung 2. Eine confocal Fluoreszenzkarte von NANOVOLT zentriert in Diamant nanocrystals (verließ) und in der entsprechenden Atomkraftmikroskopiekarte der Diamantkristallprofile. Diese kombinierte Maßtechnik, die mit der theoretischen Formung aktiviert verbunden wird jetzt, die Vorhersage der Stabilität von NANOVOLT-Mitten in einer Reichweite nanodiamond Größen4.

Eine beträchtliche Arbeitslast über Bio-functionalisation5 ist bereits erledigt worden, und jetzt zeigen Fluoreszenzmaße, dass NANOVOLT in diesen Diamanten entdeckt werden kann6. Das Ziel ist zur Zeit, das Material für eine hohe Konzentration von NANOVOLT zu optimieren.

Diamant Magnetometry

Schwache Magnetfelder, indem es den empfindlichen optischen Magnetfeldübergang von NANOVOLT-Farbmitten, Zu Ermittlen ausnutzt ist- die aufregendste neue Allee für nanodiamond basierte Darstellung und wird möglicherweise Abbildungsempfindlichkeit auf dem Niveau von einzelnen Kernspins aktivieren. Stark Vereinfacht wird das Maß durch verbindene magnetische Resonanz- Techniken mit Fluoreszenzmaßen gemacht, um die Änderung eines lokalen Magnetfelds nahe einer NANOVOLT-Mitte zu entdecken.

Praktisch bezieht das Konzept mit ein, ein nanodiamond über Magnetfeldern zu scannen (z.B. magnetische Gebiete oder nanomagnets) und überwacht die Änderung im optischen Signal als Funktion der Stellung. Das Montieren des passenden Signals würde dann ein Magnetfeldbild der Beispieloberfläche erbringen. Das nanodiamond „Fühler“ besteht möglicherweise aus einem nanodiamond, das zu einer Atomkraftmikroskopspitze befestigt wird (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3. Fluoreszenzkarte von den nanodiamonds geklebt zur Spitze einer freitragenden Spitze der Atomkraftmikroskopie. Unter den guten Bedingungen ist es möglich, die Spitze über einer Oberfläche mit magnetischen Gebieten, magnetische Nano-schilder oder sogar einzelnes Elektron oder Kernspins zu scannen und die Stellung und die Stärke der Bereiche abzubilden.

Die Möglichkeit und das Potenzial dieser Technik, Empfindlichkeit zum Niveau des einzelnen Elektrons und der Kernspins zu aktivieren wurden vor kurzem berichtet7. Diese bahnbrechenden Experimente markierten infolgedessen die praktischen Beschränkungen, die durch die Größe und die Qualität von den erhältlichen Diamanten auferlegt wurden. Tatsächlich wird die Empfindlichkeit dieser Technik in großem Maße durch die Trennung zwischen der NANOVOLT-Mitte und der Probe begrenzt und vorgeschrieben deshalb durch die Größe des Kristallhauptrechners. Diese Ergebnisse liefern beträchtliche Motivation, um ein tieferes und umfassenderes Verständnis des Verhaltens von NANOVOLT-Mitten in nanoscale Diamanten auszuüben4.

Diamant Quantums-Technologien

Im Quantumsübertragen auf lochkarten oder -nachrichtenübermittlung wird als den Schlüsselbaustein ein Quantumsbit oder qubit bezeichnet. Qubits bestehen aus einer einzelnen Quantumsanlage mit 2 Stufen, in der der Wert 0 sein kann, oder 1 oder ein Superposition zwischen den zwei. Es ist genügend im Rahmen dieses kurzen Artikels, diese vereinfachte Erklärung zu verstehen. Die Elektronenspin Unterstufen im Bodenzustand der NANOVOLT-Mitte im Diamanten benimmt sich wie eine Stufenanlage des Ideals 2; der Drehbeschleunigungszustand (oder qubit Wert) können 0, 1 oder eine Kombination der zwei sein. Außerdem kann der Zustand der Drehbeschleunigung unter Verwendung der magnetischen Resonanz- und optischen Signale „“ ausgelesen werden, wie oben beschrieben worden. Die NANOVOLT-Mitte im Diamanten ist folglich eine vorbildliche Festkörperanlage, auf der, informationsverarbeitende Technologien eines Quantums aufzubauen8und dort viele Gruppen sind, die dieses ausübend weltweit sind.

Jedoch kommt die Herausforderung der Implementierung von vollerblühten Quantumseinheiten im Diamanten wieder unten zur materiellen Qualität und zu hoch entwickelten Fälschungsstrategien. Es ist prinzipiell durchführbar, zum Beispiel einen Quantumsprozessor des kleinen Maßstabs im Diamanten einzuführen, gleichwohl die Schwierigkeiten, die wegen der Beschränkungen in der materiellen Qualität auferlegt werden, dieses Ziel gerade aus Reichweite heraus beibehalten.

Kommen Sie in sich entwickelnde Techniken weiter, um Farbmitten im Diamanten, einzelne Photonquellen im Diamanten zu enthalten, und verbundene qubits im Diamanten bestimmen, in welchem Ausmaß Diamant-basierte Quantumstechnologien praktisch werden.


Bezüge

1. Zaitsev, A., Optische Eigenschaften des Diamanten: ein Datenhandbuch. (Springer, Berlin, 2001).
2. Kurtsiefer, C., Mayer, S., Zarda, P. und Weinfurter, H., Körperliche Zusammenfassung Bezeichnet 85 (2), 290 mit Buchstaben (2000); Brouri, R., Beveratos, A., Poizat, J.P. und Grangier, P., Optik Bezeichnet 25 (17), 1294 mit Buchstaben (2000).
3. Chang, O. - R. et al., Nationales Nano-3 (5), 284 (2008).
4. Bradac, C. et al., Nano-Schreiben (2009).
5. E., Reiner und Angewandter Chemie Osawa, 80 (7), 1365 (2008); Krüger, A. et al., Langmuir 24 (8), 4200 (2008).
6. Smith, B.R. et al., Kleines 5 (14), 1649 (2009).
7. Balasubramanian, G. et al., Natur 455 (7213), 648 (2008); Labyrinth, J.R. et al., Natur 455 (7213), 644 (2008).
8. Gaebel, T. et al., Natur-Physik 2 (6), 408 (2006); Stoneham, A.M., Harker, A.H. und Morley, G.W., Zapfen Physik-Kondensierten Stoffes 21 (36) (2009); Wrachtrup, J. und Jelezko, F., Zapfen Physik-Kondensierten Stoffes 18 (21), S807 (2006).

Copyright AZoNano.com, Professor James Rabeau (Macquarie-Universität)

Date Added: Mar 4, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 01:24

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit