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ダイヤモンドの回転: 実際に小さいダイヤモンドのためのトップクラスアプリケーション

教授によってジェームス Rabeau

ジェームス Rabeau 助教授、グループのリーダー、 Quantum の文書およびアプリケーション (QMApp); オーストラリアの研究委員会未来の仲間、物理学マコーリー大学の部門
対応する著者: jrabeau@science.mq.edu.au

ダイヤモンドは極度な特性のために有名、生物functionalisation の硬度を含んで、化学および生物的 inertness、 Debye の高い温度、高い熱伝導度および容易さ少数を指名するためにです。

最後の 10 年にわたって、科学技術材料としてダイヤモンドは本物の潜在性の増加する更新され、興味のレベルを見ました。 ダイヤモンドのための最新の潜在的なアプリケーションのいくつかを可能にする主条件は製造を制御し、合わせる機能に重く頼り nanoscale のダイヤモンドの動作を理解します (いくつか直径のより少なくより 5 nm)。

、科学的に興味深いより挑戦する作るため、タスクをそれは主管権である、しかしむしろダイヤモンドの水晶のホストで組み込まれる 「欠陥」ではないしダイヤモンドの水晶自体。 これらのダイヤモンドで不純物の結合そして明示であり、使用できる文献1の広大なボディがライトを吸収するか、または出すという大きい番号は 「色覚中枢」と言われます。

nanoscale の目的の同時質問のための最新式の顕微鏡検査および分光学の技術の統合によって、私達に劇的に減らされた次元の数の材料の光学的性質のフル・スケールの性格描写を可能にする私達の処分で今ツールがあります。 nanoparticles の理論的な模倣、および材料加工の機能の範囲とつながれて nanoscale の粒子、即ち nanodiamonds の動作を予測し、修正し、測定することは可能です。

ダイヤモンドのいろいろな不純物は関連する窒素、ニッケル、クロムおよびケイ素を含む約束を、示します。 ここの焦点は図 1. で画像で示されている窒素空室の色覚中枢 (NV) にあります。 NV の中心はダイヤモンド格子のカーボン空室に隣接して代理窒素原子から成っています。 それは室温で写真安定して、こうして単一の不純物からの光子の検出を可能にする高い光学横断面および量収穫があります2

図 1。 C3v の対称 (NV)の N 原子および格子空室から成っているダイヤモンドの窒素空室の中心。 この 「光学的に実行中の」色覚中枢は紫外線気力ライトを吸収し、電磁スペクトルの気力NIR 領域で出ます。 それは単一性の量子効率の近くで持ち、量および生物的技術の範囲のための理想的なブロックです。

nanodiamond の色覚中枢が新しく、重要な役割を担っている 3 つの広い領域があります: Nanometrology および Quantum の生物医学的なイメージ投射、技術。 マコーリー大学の Quantum 文書およびアプリケーション (QMApp) 研究グループは特定のアプリケーションのための nanodiamonds を最適化するために組み込みのフィードバックを提供する強い材料の製造および性格描写のバックボーンによって支えられるこれらの副題のそれぞれの内のプロジェクトがあります。

慣習的な限界の下のスケールの測定対象をすべての生物学的過程の構造そして機能の理解に重大な興味 (ライトの回折、プローブの実寸またはサンプルの状態によって例えば限定されて) です。 下記に記されているように、 nanodiamond はこのフィールドの場所を 2 つの理由で保持します: それは明るく蛍光を発して、光シグナルは磁界の変動に敏感です。

ダイヤモンド Biolabels

セルのネットワークの内で移動する興味の分子に例えば接続する蛍光 biolabels を使用してイメージ投射生物学的過程は確立した技術です、しかし、さまざまな理由で、技術は豊富な可能性に達しませんでした。 慣習的な fluorophores は頻繁にイメージ投射プロセスの間に不規則に点滅しましたり、さもないと不可逆的にこうして fluorophore 観察することができる頻度および時間に限界を置くことを漂白します。

なお、ある特定の fluorophores の毒性は生きていセルイメージ投射を不可能します。 Nanodiamonds はある特定のアプリケーションのための有望な代わりとして認識されました。 ある既存の fluorophores がある特定の実施のための nanodiamond より優秀であるが、 nanodiamonds が点滅するか、への長期 photostability、抵抗または bleaching および非細胞毒性が必要となる生物イメージ投射のニッチを満たすことは明確なようです。

途方もない進歩は蛍光 biolabels として成長の nanodiamonds で世界的になされ、本物の約束があります3 。しかし 1 つの主挑戦は生物学的過程と干渉しないには十分に小さいダイヤモンドに十分な光学的に実行中の欠陥を詰めることです。 それはこのステップをではないですあまり簡単ひっくり返します。

製造の状態の範囲の下で、 「明るさ」を粒度の機能として定め、理想的にある特定のサイズの明るい発光性の nanodiamonds を作るための予言するフレームワークを開発することは必要です4。 5 nm の下で理想的な政体に取り掛かるためには、注意は集中する非常に狭いサイズ分布がおよそ 4 nm ある 「爆発 nanodiamond」と呼出される材料に回りました。

図 2。 NV の共焦点の蛍光性のマップはダイヤモンドの nanocrystals (去りました) およびダイヤモンドの水晶のプロフィールの対応する原子力の顕微鏡検査のマップに集中します。 理論的な模倣とつながれるこの結合された測定技術は今 nanodiamond のサイズの範囲の NV の中心の安定性の予言を可能にします4

生物functionalisation の相当な量の作業は5既に行われ、 NV がこれらのダイヤモンドで検出することができることを今蛍光性の測定は示しています6。 目的は現在 NV の高い濃度のための材料を最適化することです。

ダイヤモンドの Magnetometry

NV の色覚中枢の磁界敏感な光学転移の開発による弱い磁場を感じることは nanodiamond によって基づくイメージ投射のための最もエキサイティングで新しい道で、単一の核回転のレベルで可能性としてはイメージ投射感度を可能にします。 単純化して、測定は蛍光性の測定を用いる連結の磁気共鳴の技術によって NV の中心の近くでローカル磁界の変更を検出するためになされます。

事実上、概念は (例えば磁区か nanomagnets) 磁場上の nanodiamond をスキャンすることを含み、位置の機能として光シグナルの変更を監察します。 適切なシグナルを集めることはそれからサンプル表面の磁界の画像をもたらします。 nanodiamond 「プローブ」は原子力の顕微鏡の先端に接続する nanodiamond から成るかもしれません (図 3) を見て下さい。

図 3. 原子力の顕微鏡検査の片持梁先端の先端につく nanodiamonds の蛍光性のマップ。 良い状態の下で、磁区、磁気 nano ラベルまた更に単一の電子または核回転の表面上の先端をスキャンし、フィールドの位置そして強さをマップすることは可能です。

この技術の可能性そして潜在性は単一の電子および核回転のレベルに感度を可能にする最近報告されました7。 従ってこれらの開拓の実験は使用できるダイヤモンドのサイズそして品質によって課された実用的な限定を強調しました。 実際に従ってこの技術の感度は NV の中心とサンプル間の分離によって主として限定され、水晶ホストのサイズによって定まります。 これらの結果は nanoscale のダイヤモンドの NV の中心の動作のより深く、広範囲の理解を追求するために重要な刺激を提供します4

ダイヤモンドの Quantum の技術

量の計算か通信連絡では、主ブロックは量ビット、か qubit 名づけられます。 Qubits は値が 0 である場合もあるまたは 2 間の 1 または重ね合わせ成っています単一の 2 レベルの量システムから。 この簡単説明を理解することはこの短い記事という点において十分です。 ダイヤモンドの NV の中心の地上状態の電子回転の中段は理想的な 2 レベルのシステムのように動作します; 回転州 (か qubit 値) 2 の 0、 1 つまたは組合せのどちらである場合もあります。 なお、回転の状態は磁気共鳴および光シグナルを使用して上記されているように 「」読むことができます。 ダイヤモンドの NV の中心はこうして量の情報処理の技術を構築することは、そこに世界的な多くの8グループのモデルソリッドステートシステムでありこれを追求します。

ただし、ダイヤモンドの満開の量装置の実行の挑戦は物質的な品質および高度の製造の作戦に再度来ます。 それは物質的な品質の限定のために課される難しさが届かないこの目的をちょうど維持するどんなに、ダイヤモンドの例えば、小規模の量プロセッサを実行することは原則的には実行可能です。

ダイヤモンドの色覚中枢、ダイヤモンドの単一の光子ソースを組み込むために成長の技術で進歩すればダイヤモンドベースの量の技術が実用的になるかどの程度までダイヤモンドのつながれた qubits は定めます。


参照

1. Zaitsev、 A. のダイヤモンドの光学的性質: データ手引。 (ベルリン 2001 年、スプリンガー)。
2. Kurtsiefer、 C.、 Mayer、 S.、 Zarda、 P. および Weinfurter、 H. は、物理的な検討 85 (2)、 290 に文字を入れます (2000 年); Brouri、 R.、 Beveratos、 A.、 Poizat、 J.P.、および Grangier、 P. の光学は 25 (17) 1294 に文字を入れます (2000 年)。
3. チャン、 Y。 - R。等、ネットワークアドレス交換の Nano 3 (5)、 284 (2008 年)。
4. Bradac、等 C.、 Nano 文字 (2009 年)。
5. Osawa、 E.、純粋なおよび応用化学 80 (7) 1365 (2008 年); Krüger、等 A.、 Langmuir 24 (8)、 4200 (2008 年)。
6. スミス、等 B.R.、小さい 5 (14) 1649 (2009 年)。
7. Balasubramanian、等 G.、性質 455 (7213)、 648 (2008 年); 当惑、等 J.R.、性質 455 (7213)、 644 (2008 年)。
8. Gaebel、等 T.、性質の物理学 2 (6)、 408 (2006 年); Stoneham、 AM、 Harker、 A.H.、および Morley、 G.W. の物理学凝縮させた問題 21 (36) のジャーナル (2009 年); Wrachtrup、 J. および Jelezko、 F. の物理学凝縮させた問題 18 (21)、 S807 (2006 年) のジャーナル。

、版権 AZoNano.com ジェームス Rabeau (マコーリー大学) 教授

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

Last Update: 14. June 2013 01:31

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