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La Révolution de Diamant : Demandes De premier rang de Diamants Réellement Petits

par Prof. James Rabeau

Professeur Agrégé James Rabeau, Amorce de Groupe, Matériaux de Quantum et Applications (QMApp) ; Camarade Australien de Conseil " Recherche " Futur, Département de Physique, Université de Macquarie
Auteur Correspondant : jrabeau@science.mq.edu.au

Le Diamant est réputé pour ses propriétés extrêmes, y compris la dureté, l'inertie chimique et biologique, la température élevée de Debye, la conduction thermique élevée et la facilité de bio-functionalisation pour nommer quelques uns.

Au Cours des 10 dernières années, le diamant comme matériau technologique a vu un niveau renouvelé et croissant d'intérêt avec le potentiel véritable. Une condition principale d'activer certaines des dernières applications possibles pour le diamant se fondera fortement sur la capacité de régler et régler la fabrication, et comprend le comportement du diamant de nanoscale (certains moins de 5 nanomètre de diamètre).

Pour effectuer la tâche plus contestant, et scientifiquement intéressant, ce n'est pas le cristal de diamant lui-même qui est d'intérêt de premier rang, mais plutôt les « défauts » comportés dans l'hôte en cristal de diamant. Il y a un vaste fuselage de la littérature disponible sur la constitution et la manifestation des impuretés dans le diamant1, et de ces derniers, un grand numéro désigné sous le nom des « centres colorés » par lequel ils absorbent ou émettent la lumière.

En intégrant des techniques de pointe de microscopie et de spectroscopie pour l'interrogation simultanée des objectifs de nanoscale, nous avons maintenant les outils à notre disposition pour activer la caractérisation complète des propriétés optiques des matériaux avec la dimensionnalité excessivement réduite. Ajouté à la modélisation théorique des nanoparticles, et à un domaine des capacités de traitement de matériaux il est possible de prévoir, modifier et mesurer le comportement des particules de nanoscale, à savoir nanodiamonds.

Un grand choix d'impuretés dans le diamant se montrent, y compris l'azote, le nickel, le chrome et le silicium prometteur associés. Le foyer ici est au centre coloré d'azote-vacance (NANOVOLT) représenté imagé sur le Schéma 1. Le centre de NANOVOLT se compose d'un atome substitutional d'azote à côté d'une vacance de carbone dans le réseau de diamant. Il est photo-stable à la température ambiante et a une section transversale optique et un rendement de tranche de temps élevés activant de ce fait le dépistage des photons d'une impureté unique2.

Le Schéma 1. Le centre (NV) d'azote-vacance dans le diamant se composant d'une vacance de N-Atome et de réseau dans la symétrie de C3v. Ce centre coloré « optiquement actif » absorbe la lumière d'UV-Force, et l'émet dans la région de Force-NIR du spectre électromagnétique. Il a près du rendement quantique d'unité et est le synthon idéal pour un domaine de tranche de temps et de technologies biologiques.

Il y a trois zones larges dans lesquelles les centres colorés dans le nanodiamond jouent un neuf et un rôle important : Représentation Biomédicale, technologies de Nanometrology et de Quantum. L'organisme de recherche de Matériaux et d'Applications de Quantum (QMApp) à l'Université de Macquarie a des projets dans chacun de ces sous-titres soutenus par un circuit principal intense de fabrication et de caractérisation de matériaux qui fournit le contrôle par retour de l'information intrinsèque pour optimiser des nanodiamonds pour des applications particulières.

Les objectifs de Mesure sur une échelle ci-dessous des limites conventionnelles (par exemple limité par diffraction de la lumière, les cotes matérielles d'une sonde ou l'état de l'échantillon) est d'intérêt critique à comprendre la structure et le fonctionnement de tous les procédés biologiques. Comme décrit ci-dessous, le nanodiamond retient une place dans ce domaine pour deux raisons : il brille par fluorescence brillamment et son signe optique est susceptible des variations de champ magnétique.

Diamant Biolabels

Les procédés biologiques de Représentation utilisant les biolabels fluorescents, fixés par exemple à une molécule d'intérêt se déplaçant dans un réseau des cellules, est une technologie bien établie, cependant, pour des raisons diverses, la technique n'a pas atteint son plein potentiel. Les fluorophores Conventionnels clignotent souvent en marche et en arrêt pendant le procédé de représentation, ou bien blanchissent mettre irréversiblement de ce fait une limite sur le temps et la fréquence auxquels on peut observer le fluorophore.

En Outre, la toxicité de certains fluorophores rend la représentation de sous tension-cellule impossible. Nanodiamonds ont été identifiés comme alternative prometteuse pour certaines applications. Bien Que quelques fluorophores existants soient supérieurs au nanodiamond pour certaines réalisations, il semble clair que les nanodiamonds rempliront créneau dans la bio-représentation, où le photostability à long terme, la résistance au clignotement ou le blanchiment et la non-cytotoxicité sont exigés.

Le progrès Énorme a été accompli mondial dans les nanodiamonds se développants en tant que biolabels fluorescents, et il y a promesse véritable3 . Un défi principal cependant est de bourrer assez de défauts optiquement actifs dans un diamant qui est assez petit afin de ne pas gêner des procédés biologiques. Il s'avère cette phase n'est pas aussi droit.

Sous un domaine des états de fabrication, il est essentiel de déterminer la « brilliance » en fonction de la dimension particulaire et de développer idéalement un cadre prévisionnel pour effectuer les nanodiamonds luminescents lumineux de certaines tailles4. Pour réduire au régime idéal en-dessous de 5 nanomètre, l'attention a tourné à la « détonation un nanodiamond » appelé matériel, qui a une distribution de grandeurs très étroite concentrée sur 4 nanomètre.

Le Schéma 2. Un plan confocal de fluorescence des centres de NANOVOLT dans des nanocrystals de diamant (laissés) et le plan atomique correspondant de microscopie de force des profils de cristal de diamant. Cette technique de mesure combinée ajoutée à la modélisation théorique active maintenant la prévision de la stabilité des centres de NANOVOLT dans un domaine des tailles de nanodiamond4.

Une quantité considérable de travail sur bio-functionalisation5 a été déjà effectuée, et maintenant les mesures de fluorescence prouvent que le NANOVOLT peut être trouvé dans ces diamants6. L'objectif est actuellement d'optimiser le matériau pour une forte concentration de NANOVOLT.

Magnétométrie de Diamant

Sentir de faibles champs magnétiques en exploitant le passage optique sensible de champ magnétique des centres colorés de NANOVOLT est l'avenue neuve la plus passionnante pour la représentation basée de nanodiamond, et activera potentiellement la sensibilité de représentation au niveau des spins nucléaires uniques. De Manière Simpliste, la mesure est effectuée par des techniques de résonance magnétique s'accouplantes avec des mesures de fluorescence pour trouver la modification d'un champ magnétique local près d'un centre de NANOVOLT.

Pratique, le concept concerne balayer un nanodiamond au-dessus des champs magnétiques (par exemple les domaines magnétiques ou les nanomagnets) et surveille le changement du signe optique en fonction de la position. Le Rassemblement du signe approprié fournirait alors une image de champ magnétique de la surface témoin. Le nanodiamond « sonde » peut se composer d'un nanodiamond fixé à une extrémité atomique de microscope de force (voir le Schéma 3).

Le Schéma 3. plan de Fluorescence des nanodiamonds collés à l'extrémité d'une extrémité en porte-à-faux de microscopie atomique de force. Dans les bonnes conditions, il sera possible de balayer l'extrémité au-dessus d'une surface avec les domaines magnétiques, les nano-étiquettes magnétiques ou même les spins d'électron ou nucléaires uniques et de tracer la position et la force des zones.

La faisabilité et le potentiel de cette technique d'activer la sensibilité au niveau de l'électron unique et des spins nucléaires ont été récent enregistrés7. Ces expériences pilotes ont par conséquent mis en valeur les limitations pratiques imposées par la taille et la qualité des diamants disponibles. En Effet la sensibilité de cette technique est en grande partie limitée par la séparation entre le centre de NANOVOLT et l'échantillon, et dictée pour cette raison par la taille de l'hôte en cristal. Ces résultats fournissent la motivation significative pour poursuivre une compréhension plus profonde et plus complète du comportement des centres de NANOVOLT dans des diamants de nanoscale4.

Technologies de Quantum de Diamant

Dans le calcul ou la transmission de tranche de temps, le synthon principal se nomme un bit de tranche de temps, ou qubit. Qubits se composent d'un système de tranche de temps unique de 2 niveaux en lequel la valeur peut être 0, ou 1 ou une superposition entre les deux. Il est suffisant dans le cadre de ce petit article de comprendre cette explication simplifiée. Les sous-niveaux de rotation d'électron dans l'état fondamental du centre de NANOVOLT dans le diamant se comporte comme un système de niveau de l'idéal 2 ; l'état de spin (ou la valeur de qubit) peut être 0, 1 ou une combinaison des deux. En Outre, la condition de la rotation peut « être donnée lecture » utilisant les signes de résonance magnétique et optiques comme décrit ci-dessus. Le centre de NANOVOLT dans le diamant est ainsi un système semi-conducteur modèle sur lequel établir des technologies de traitement de l'information d'une tranche de temps8, et là sont beaucoup de groupes mondiaux poursuivant ceci.

Cependant, le défi de mettre en application de véritables dispositifs de tranche de temps dans le diamant descend de nouveau à la qualité matérielle et aux stratégies avancées de fabrication. Il est en principe faisable de mettre en application, par exemple, un compilateur de tranche de temps à échelle réduite dans le diamant, toutefois les difficultés imposées à cause des limitations de qualité matérielle mettent à jour cet objectif juste hors de portée.

Progressez dans des techniques se développantes pour comporter les centres colorés dans le diamant, sources uniques de photon dans le diamant, et les qubits accouplés dans le diamant détermineront dans quelle mesure les technologies diamant-basées de tranche de temps deviennent pratiques.


Références

1. Zaitsev, A., propriétés Optiques de diamant : un manuel de données. (Springer, Berlin, 2001).
2. Kurtsiefer, C., Mayer, S., Zarda, P., et Weinfurter, H., Révision Matérielle Marque Avec Des Lettres 85 (2), 290 (2000) ; Brouri, R., Beveratos, A., Poizat, J.P., et Grangier, P., Bloc Optique Marque Avec Des Lettres 25 (17), 1294 (2000).
3. Chang, Y. - R. et autres, Nano National 3 (5), 284 (2008).
4. Bradac, C. et autres, Lettres Nanoes (2009).
5. Chimie d'Osawa, d'E., Pure et Appliquée 80 (7), 1365 (2008) ; Krüger, A. et autres, Langmuir 24 (8), 4200 (2008).
6. Smith, B.R. et autres, Petit 5 (14), 1649 (2009).
7. Balasubramanian, G. et autres, Nature 455 (7213), 648 (2008) ; Labyrinthe, J.R. et autres, Nature 455 (7213), 644 (2008).
8. Gaebel, T. et autres, Physique de Nature 2 (6), 408 (2006) ; Stoneham, HEURE DU MATIN, Harker, A.H., et Morley, G.W., Tourillon de la Substance Physique-Condensée 21 (36) (2009) ; Wrachtrup, J. et Jelezko, F., Tourillon de la Substance Physique-Condensée 18 (21), S807 (2006).

Droit d'auteur AZoNano.com, Professeur James Rabeau (Université de Macquarie)

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

Last Update: 14. June 2013 01:20

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