La Rivoluzione del Diamante: Domande Di alto livello di Diamanti Realmente Piccoli

da Prof. James Rabeau

Professore Associato James Rabeau, Guida del Gruppo, Materiali di Quantum ed Applicazioni (QMApp); Collega Futuro del Consiglio della Ricerca Australiano, Dipartimento di Fisica, Macquarie University
Autore Corrispondente: jrabeau@science.mq.edu.au

Il Diamante è ben noto per i sui beni estremi, compresi durezza, inerzia chimica e biologica, l'alta temperatura di Debye, l'alta conducibilità termica e facilità di bio--functionalisation nominare alcuni.

Durante Gli Ultimi 10 anni, il diamante come materiale tecnologico ha veduto un livello rinnovato ed aumentante di interesse con potenziale genuino. Un requisito chiave permettere ad alcune di ultime domande potenziali di diamante conterà molto sulla capacità di gestire ed adattare il montaggio e capisce il comportamento del diamante del nanoscale (alcuni meno di 5 nanometro di diametro).

Per fare il compito che sfida e scientifico interessante, non è il cristallo stesso del diamante che sia di interesse primario, ma piuttosto “i difetti„ compresi nel host a cristallo del diamante. C'è un vasto organismo di letteratura disponibile sull'incorporazione e sulla manifestazione delle impurità in diamante1e di questi, un grande numero si riferisce a come “centri di colore„ con cui assorbono o emettono l'indicatore luminoso.

Integrando le tecniche avanzate della spettroscopia e di microscopia per l'interrogazione simultanea degli oggetti del nanoscale, ora abbiamo gli strumenti a nostra disposizione per permettere alla caratterizzazione completa dei beni ottici dei materiali con dimensionalità drammaticamente diminuita. Accoppiato con la modellistica teorica delle nanoparticelle e un intervallo delle capacità di trattamento dei materiali è possibile predire, modificare e misurare il comportamento delle particelle del nanoscale, vale a dire nanodiamonds.

Varie impurità in diamante mostrano la promessa, compreso azoto, nichel, cromo e silicio riguardanti. Il fuoco qui è sul centro di colore di azoto-offerta di l$voro (NV) come appare pittorico Figura 1. Il centro di NV consiste di un atomo substitutional dell'azoto adiacente ad un'offerta di l$voro del carbonio nella grata di diamante. È foto-stabile alla temperatura ambiente ed ha un'alti sezione trasversale ottica e rendimento quantico che permettono così alla rilevazione dei fotoni da una singola impurità2.

Figura 1. Il centro (NV) di azoto-offerta di l$voro in diamante che consiste di un'offerta di l$voro della grata e dell'N-Atomo nella simmetria di C3v. Questo centro di colore “otticamente attivo„ assorbe l'indicatore luminoso di UV-Forza ed emette nella regione di Forza-NIR dello spettro elettromagnetico. Ha vicino a risparmio di temi di quantum di unità ed è la particella elementare ideale per un intervallo del quantum e delle tecnologie biologiche.

Ci sono tre vaste aree in cui i centri di colore nel nanodiamond stanno svolgendo un nuovo e ruolo significativo: Rappresentazione, tecnologie Biomediche di Quantum e di Nanometrology. Il gruppo di ricerca dei Materiali e delle Applicazioni di Quantum (QMApp) alla Macquarie University ha progetti all'interno di ciascuno di questi sottotitoli sostenuti da una forte spina dorsale di montaggio e di caratterizzazione dei materiali che fornisce il feedback incorporato per ottimizzare i nanodiamonds per le applicazioni specifiche.

Gli oggetti di Misurazione su un disgaggio sotto i limiti convenzionali (per esempio limitato da diffrazione di indicatore luminoso, dalle dimensioni fisiche di una sonda o dallo stato del campione) è di interesse critico a capire la struttura e la funzione di tutti i trattamenti biologici. Come descritto qui sotto, il nanodiamond tiene un posto in materia per due ragioni: sta essendo flourescente brillantemente ed il suo segnale ottico è suscettibile delle fluttuazioni del campo magnetico.

Diamante Biolabels

I trattamenti biologici della Rappresentazione facendo uso dei biolabels fluorescenti, fissati per esempio ad una molecola di interesse che viaggia all'interno di una rete delle celle, è una tecnologia affermata, tuttavia, per varie ragioni, la tecnica non ha raggiunto la sua piena capacità. I fluorophores Convenzionali lampeggiano spesso in funzione e a riposo durante il trattamento della rappresentazione, oppure candeggiano irreversibilmente così il collocamento del limite sul tempo e sulla frequenza a cui il fluorophore può essere osservato.

Ancora, la tossicità di determinati fluorophores rende la rappresentazione della in tensione-cella impossibile. Nanodiamonds è stato riconosciuto come alternativa di promessa per determinate applicazioni. Sebbene alcuni fluorophores attuali siano superiori a nanodiamond per determinate implementazioni, sembra chiaro che i nanodiamonds riempiano un posto adatto nella bio--rappresentazione, dove il photostability a lungo termine, la resistenza al lampeggiamento o imbianchimento e la non citotossicità sono richiesti.

I progressi Tremendi sono stati realizzati mondiali nei nanodiamonds di sviluppo come biolabels fluorescenti e c'è promessa genuina3 . Una sfida chiave tuttavia è di imballare abbastanza difetti otticamente attivi in un diamante che è abbastanza piccolo in modo da non interferire con i trattamenti biologici. Risulta questo punto non è così diretta.

Nell'ambito di un intervallo degli stati di montaggio, è essenziale per determinare “la luminosità„ in funzione della dimensione delle particelle e per sviluppare idealmente una struttura premonitrice per la fabbricazione dei nanodiamonds luminescenti luminosi di determinate dimensioni4. Per scendere al regime ideale inferiore a 5 nanometro, l'attenzione si è girata verso un materiale chiamato “nanodiamond della detonazione„, che ha una distribuzione per ampiezza molto stretta concentrata intorno 4 nanometro.

Figura 2. Una mappa confocale della fluorescenza del NV concentra in nanocrystals del diamante (ha andato) e nella mappa atomica corrispondente di microscopia della forza dei profili del cristallo del diamante. Questa tecnica di misura combinata accoppiata con la modellistica teorica ora permette alla previsione della stabilità dei centri di NV in un intervallo delle dimensioni del nanodiamond4.

Una considerevole quantità di lavoro su bio--functionalisation5 già è stata fatta ed ora le misure della fluorescenza stanno indicando che il NV può essere individuato in questi diamanti6. Lo scopo attualmente è di ottimizzare il materiale per un'alta concentrazione di NV.

Magnetometry del Diamante

La Percezione dei campi magnetici deboli sfruttando la transizione ottica sensibile a campo magnetico dei centri di colore di NV è il nuovo viale più emozionante per la rappresentazione basata nanodiamond e potenzialmente permetterà alla sensibilità di rappresentazione al livello di singole rotazioni nucleari. Semplicistico, la misura è effettuata mediante tecniche a risonanza magnetica di coppia con le misure della fluorescenza per individuare il cambiamento di un campo magnetico locale vicino ad un centro di NV.

Praticamente, il concetto comprende scandire un nanodiamond sopra i campi magnetici (per esempio domini magnetici o nanomagnets) e riflette il cambiamento nel segnale ottico in funzione della posizione. La Raccolta del segnale appropriato poi renderebbe un'immagine del campo magnetico della superficie del campione. Il nanodiamond “sonda„ può consistere di un nanodiamond fissato ad un suggerimento atomico del microscopio della forza (si veda Figura 3).

Figura 3. mappa di Fluorescenza dei nanodiamonds incollati al suggerimento di un suggerimento a mensola di microscopia atomica della forza. Nelle condizioni buone, sarà possibile scandire il ribaltare una superficie con i domini magnetici, i nano-contrassegni magnetici o persino le singole rotazioni nucleari o dell'elettrone e mappare la posizione e la concentrazione dei campi.

La possibilità ed il potenziale di questa tecnica permettere alla sensibilità al livello di singolo elettrone e di rotazioni nucleari recentemente sono stati riferiti7. Questi esperimenti aprenti la strada conseguentemente hanno evidenziato le limitazioni pratiche imposte dalla dimensione e dalla qualità dei diamanti disponibili. Effettivamente la sensibilità di questa tecnica in gran parte è limitata tramite la separazione fra il centro di NV ed il campione e quindi è dettata dalla dimensione del host a cristallo. Questi risultati forniscono la motivazione significativa per perseguire una comprensione più profonda e più completa del comportamento dei centri di NV nei diamanti del nanoscale4.

Tecnologie di Quantum del Diamante

Nel calcolo o nella comunicazione di quantum, la particella elementare chiave è definita un bit di quantum, o qubit. Qubits consiste di singolo sistema di quantum di 2 livelli in cui il valore può essere 0, o 1 o una sovrapposizione fra i due. È sufficiente nel contesto di questo breve articolo capire questa spiegazione semplificata. I sottolivelli della rotazione dell'elettrone nello stato fondamentale del centro di NV in diamante si comporta come un sistema del livello di ideale 2; lo stato di spin (o valore del qubit) può essere 0, 1 o una combinazione dei due. Ancora, lo stato della rotazione può “essere letto fuori„ facendo uso dei segnali ottici a risonanza magnetica e come precedentemente descritto. Il centro di NV in diamante è così un sistema semi conduttore di modello su cui sviluppare le tecnologie di un'elaborazione delle informazioni di quantum8e là è molti gruppi mondiali perseguendo questo.

Tuttavia, la sfida di applicare le unità complete di quantum in diamante scende ancora a qualità materiale ed a strategie avanzate di montaggio. È in linea di principio fattibile da applicare, per esempio, un esboscatore universale di quantum della piccola scala in diamante, comunque le difficoltà imposte a causa delle limitazioni nella qualità materiale mantengono questo scopo appena fuori mano.

Progredisca nelle tecniche di sviluppo per comprendere i centri di colore in diamante, singole sorgenti del fotone in diamante e i qubits coppia in diamante determineranno fino a che punto alle le tecnologie basate a diamante di quantum diventano pratiche.


Riferimenti

1. Zaitsev, A., beni Ottici del diamante: un manuale di dati. (Springer, Berlino, 2001).
2. Kurtsiefer, il C., Mayer, lo S., Zarda, il P. e Weinfurter, H., Esame Fisico Segna 85 con lettere (2), 290 (2000); Brouri, il R., Beveratos, il A., Poizat, il J.P. e Grangier, P., l'Ottica Segna 25 con lettere (17), 1294 (2000).
3. Chang, Y. - R. et al., 3 Nani Nazionali (5), 284 (2008).
4. Bradac, C. et al., Lettere Nane (2009).
5. Chimica Pura ed Applicata di Osawa, del E., 80 (7), 1365 (2008); Krüger, A. et al., Langmuir 24 (8), 4200 (2008).
6. Smith, B.R. et al., Piccoli 5 (14), 1649 (2009).
7. Balasubramanian, G. et al., Natura 455 (7213), 648 (2008); Labirinto, J.R. et al., Natura 455 (7213), 644 (2008).
8. Gaebel, T. et al., Fisica della Natura 2 (6), 408 (2006); Stoneham, DI MATTINA, Harker, A.H. e Morley, G.W., Giornale della Materia Fisica-Condensata 21 (36) (2009); Wrachtrup, J. e Jelezko, F., Giornale della Materia Fisica-Condensata 18 (21), S807 (2006).

Copyright AZoNano.com, il Professor James Rabeau (Macquarie University)

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

Last Update: 14. June 2013 01:28

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