La Revolución del Diamante: Aplicaciones En la cima para los Diamantes Realmente Pequeños

por Profesor James Rabeau

Profesor Adjunto James Rabeau, Arranque De Cinta del Grupo, Materiales y Aplicaciones (QMApp) de Quantum; Persona Futura del Consejo de Investigación Australiano, Departamento de la Física, Universidad de Macquarie
Autor Correspondiente: jrabeau@science.mq.edu.au

El Diamante es bien sabido para sus propiedades extremas, incluyendo endurecimiento, inercia química y biológica, alta temperatura de Debye, alta conductividad térmica y facilidad de bio-functionalisation nombrar algunos.

Durante los 10 años pasados, el diamante como material tecnológico ha visto un nivel de interés renovado y cada vez mayor con potencial auténtico. Un requisito dominante de activar algunas de las últimas aplicaciones potenciales para el diamante confiará pesado en la capacidad de controlar y de adaptar la fabricación, y entiende el comportamiento del diamante del nanoscale (algo menos de 5 nanómetro en diámetro).

Para hacer la tarea que desafía, y científico interesante, no es el cristal sí mismo del diamante que está de interés primario, pero bastante los “defectos” incorporados en el ordenador principal del cristal del diamante. Hay un cuerpo extenso de la literatura disponible en la incorporación y la manifestación de impurezas en diamante1, y de éstos, un gran número se refiere como “centros de color” por el que absorban o emitan la luz.

Integrando las técnicas avanzadas de la microscopia y de la espectroscopia para la interrogación simultánea de los objetos del nanoscale, ahora tenemos las herramientas en nuestra eliminación para activar la caracterización completa de las propiedades ópticas de materiales con dimensionalidad dramáticamente reducida. Acoplado con el modelado teórico de nanoparticles, y un rango de las capacidades del tratamiento de materiales es posible predecir, modificar y medir el comportamiento de las partículas del nanoscale, a saber nanodiamonds.

Una variedad de impurezas en diamante muestran promesa, incluyendo el nitrógeno, el níquel, el cromo y el silicio relacionados. El enfoque aquí está en el centro de color de la nitrógeno-vacante (NANOVOLTIO) mostrado ilustrado en el Cuadro 1. El centro del NANOVOLTIO consiste en un átomo sustitutivo del nitrógeno adyacente a una vacante del carbón en el cedazo de diamante. Es foto-estable en la temperatura ambiente y tiene un altos corte transversal óptico y rendimiento de quantum que activan así la detección de fotones de una única impureza2.

Cuadro 1. El centro (NV) de la nitrógeno-vacante en el diamante que consiste en una vacante del N-Átomo y del cedazo en simetría de C3v. Este centro de color “ópticamente activo” absorbe la luz de las Ultravioleta-Fuerzas, y la emite en la región de las Fuerzas-NIR del espectro electromágnetico. Tiene cerca de eficiencia de quantum de la unidad y es el bloque hueco ideal para un rango del quantum y de tecnologías biológicas.

Hay tres áreas amplias en las cuales los centros de color en nanodiamond están desempeñando un nuevo e importante papel: Proyección de imagen, tecnologías Biomédicas de Nanometrology y de Quantum. El grupo de investigación de los Materiales y de las Aplicaciones de Quantum (QMApp) en la Universidad de Macquarie tiene proyectos dentro de cada uno de estos subtítulos apuntalados por una espina dorsal fuerte de la fabricación y de la caracterización de los materiales que proporcione a feedback incorporado para optimizar los nanodiamonds para las aplicaciones específicas.

Objetos de Medición en una escala debajo de límites convencionales (eg. limitado por la difracción de la luz, las dimensiones físicas de una antena o la condición de la muestra) está de interés crítico a entender la estructura y la función de todos los procesos biológicos. Como se describe a continuación, el nanodiamond lleva a cabo un lugar en este campo por dos razones: está siendo fluorescente brillantemente y su señal óptica es susceptible a las fluctuaciones del campo magnético.

Diamante Biolabels

Los procesos biológicos de la Proyección De Imagen usando los biolabels fluorescentes, asociados por ejemplo a una molécula del interés que viaja dentro de una red de células, son una tecnología establecida, sin embargo, por una variedad de razones, la técnica no ha alcanzado su capacidad máxima. Los fluorophores Convencionales centellan a menudo por intervalos durante el proceso de la proyección de imagen, o bien blanquean irreversible así poner un límite en el tiempo y la frecuencia en los cuales el fluoróforo puede ser observado.

Además, la toxicidad de ciertos fluorophores hace proyección de imagen de la vivo-célula imposible. Nanodiamonds se ha reconocido como aplicaciones prometedoras de una opción con certeza. Aunque algunos fluorophores existentes sean superiores a las puestas en vigor del nanodiamond con certeza, parece sin obstrucción que los nanodiamonds llenarán un lugar en la bio-proyección de imagen, donde el photostability a largo plazo, la resistencia al centelleo o blanqueo y la no-citotoxicidad se requieren.

El Enorme progreso se ha hecho mundial en nanodiamonds que se convertían como biolabels fluorescentes, y hay promesa auténtica3 . Un reto dominante sin embargo es pila de discos suficiente defectos ópticamente activos en un diamante que sea bastante pequeño para no interferir con procesos biológicos. Resulta este paso de progresión no es tan directo.

Bajo rango de las condiciones de la fabricación, es esencial determinar la “brillantez” en función de talla de partícula y desarrollar idealmente un marco profético para hacer los nanodiamonds luminiscentes brillantes de ciertas tallas4. Para conseguir hacia abajo al régimen ideal debajo de 5 nanómetro, la atención ha girado a un material llamado el “nanodiamond de la detonación”, que tiene una distribución dimensional muy estrecha centrada alrededor 4 nanómetro.

Cuadro 2. Una correspondencia confocal de la fluorescencia del NANOVOLTIO se centra en los nanocrystals del diamante (se fue) y la correspondencia atómica correspondiente de la microscopia de la fuerza de los perfiles del cristal del diamante. Esta técnica de medición combinada acoplada con el modelado teórico ahora activa la predicción de la estabilidad de los centros del NANOVOLTIO en un rango de las tallas del nanodiamond4.

Una considerable cantidad de trabajo sobre bio-functionalisation5 se ha hecho ya, y ahora las mediciones de la fluorescencia están mostrando que el NANOVOLTIO se puede detectar en estos diamantes6. La meta es actualmente optimizar el material para una alta concentración de NANOVOLTIO.

Magnetometría del Diamante

Detectar campos magnéticos débiles explotando la transición óptica sensible de campo magnético de los centros de color del NANOVOLTIO es la nueva avenida más emocionante para la proyección de imagen basada nanodiamond, y potencialmente activará sensibilidad de proyección de imagen en el nivel de únicas barrenas nucleares. Simplista, la medición es hecha por técnicas de resonancia magnética que acoplan con mediciones de la fluorescencia para detectar el cambio de un campo magnético local cerca de un centro del NANOVOLTIO.

Prácticamente, el concepto implica el explorar de un nanodiamond sobre campos magnéticos (e.g los dominios magnéticos o los nanomagnets) y vigila el cambio en señal óptica en función de la posición. El Cerco de la señal apropiada entonces rendiría una imagen del campo magnético de la superficie de la muestra. El nanodiamond “antena” puede consistir en un nanodiamond asociado a una punta atómica del microscopio de la fuerza (véase el Cuadro 3).

Cuadro 3. correspondencia de la Fluorescencia de los nanodiamonds pegados a la punta de una punta voladiza de la microscopia atómica de la fuerza. Bajo condiciones apropiadas, será posible explorar la punta sobre una superficie con dominios magnéticos, nano-escrituras de la etiqueta magnéticas o aún únicas barrenas del electrón o nucleares y correlacionar la posición y la fuerza de los campos.

La viabilidad y el potencial de esta técnica de activar sensibilidad al nivel de único electrón y de barrenas nucleares fueron señalados recientemente7. Estos experimentos pioneros por lo tanto destacaron las limitaciones prácticas impuestas por la talla y la calidad de los diamantes disponibles. La sensibilidad de esta técnica es limitada De Hecho en gran parte por la separación entre el centro del NANOVOLTIO y la muestra, y por lo tanto dictada por la talla del ordenador principal cristalino. Estos resultados proporcionan al estímulo importante para perseguir una comprensión más profunda y más completa del comportamiento de los centros del NANOVOLTIO en diamantes del nanoscale4.

Tecnologías de Quantum del Diamante

En el cómputo o la comunicación del quantum, el bloque hueco dominante se llama un dígito binario del quantum, o qubit. Qubits consiste en un único sistema de quantum de 2 niveles en el cual el valor pueda ser 0, o 1 o una superposición entre los dos. Es suficiente en el contexto de este artículo corto entender esta explicación simplificada. Los subniveles de la barrena del electrón en el estado de tierra del centro del NANOVOLTIO en diamante se comportan como un sistema del nivel del ideal 2; el estado de barrena (o el valor del qubit) puede ser 0, 1 o una combinación de los dos. Además, el estado de la barrena se puede “leer” usando señales de resonancia magnética y ópticas como se describe anteriormente. El centro del NANOVOLTIO en diamante es así un sistema de estado sólido modelo en el cual construir tecnologías del quantum de una tratamiento de la información8, y allí es muchos grupos mundiales persiguiendo esto.

Sin Embargo, el reto de ejecutar de los verdaderos dispositivos del quantum en diamante baja otra vez a la calidad material y a las estrategias avanzadas de la fabricación. Es en principio posible ejecutar, por ejemplo, un procesador del quantum de la pequeña escala en diamante, no obstante las dificultades impuestas debido a limitaciones en calidad material mantienen esta meta apenas fuera del alcance.

Progrese en técnicas que se convierten para incorporar los centros de color en diamante, únicas fuentes del fotón en diamante, y los qubits acoplados en diamante determinarán en qué medida las tecnologías diamante-basadas del quantum llegan a ser prácticas.


Referencias

1. Zaitsev, A., propiedades Ópticas del diamante: un prontuario de los datos. (Saltador, Berlín, 2001).
2. Kurtsiefer, la C., Mayer, el S., Zarda, el P., y Weinfurter, H., Revista Física Pone Letras a 85 (2), 290 (2000); Brouri, el R., Beveratos, el A., Poizat, el J.P., y Grangier, P., la Óptica Pone Letras a 25 (17), 1294 (2000).
3. Chang, Y. - R. y otros, 3 (5) Nano Nacional, 284 (2008).
4. Bradac, C. y otros, Cartas Nanas (2009).
5. Química de Osawa, del E., Pura y Aplicada 80 (7), 1365 (2008); Krüger, A. y otros, Langmuir 24 (8), 4200 (2008).
6. Smith, B.R. y otros, Pequeños 5 (14), 1649 (2009).
7. Balasubramanian, G. y otros, Naturaleza 455 (7213), 648 (2008); Laberinto, J.R. y otros, Naturaleza 455 (7213), 644 (2008).
8. Gaebel, T. y otros, la Física de la Naturaleza 2 (6), 408 (2006); Stoneham, MAÑANA, Harker, A.H., y Morley, G.W., Gorrón de la Materia Física-Condensada 21 (36) (2009); Wrachtrup, J. y Jelezko, F., Gorrón de la Materia Física-Condensada 18 (21), S807 (2006).

Derechos De Autor AZoNano.com, Profesor James Rabeau (Universidad de Macquarie)

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

Last Update: 14. June 2013 01:55

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