다이아몬드 혁명: 실제적으로 작은 다이아몬드를 위한 최고 응용

교수에 의하여 제임스 Rabeau

제임스 Rabeau 부교수, 단 지도자, Quantum 물자 및 응용 (QMApp); 오스트레일리아 연구 위원회 미래 동료, 물리학, Macquarie 대학의 부
대응 저자: jrabeau@science.mq.edu.au

다이아몬드는 그것의 극단적인 속성을 위해 유명합니다, 생물 functionalisation의 경도를 포함하여, 화학과 생물학 둔함, Debye 높은 온도, 높은 열 전도도 및 용이함 약간을 지명하기 위하여.

마지막 10 년 내내, 과학 기술 물자로 다이아몬드는 진짜 잠재력에 경신하고 증가 관심 수준을 보았습니다. 몇몇을의 다이아몬드를 위한 최신 잠재적인 응용 가능하게 하는 중요한 필수품은 제작을 통제하고 맞추는 기능을 몹시 의지하고, nanoscale 다이아몬드의 행동을 이해합니다 (몇몇 직경에 있는 5 이하 nm).

, 과학적으로 흥미로운 도전하는 만들기 위하여, 업무를 주요 관심사의 인 다이아몬드 결정 자체, 그러나 오히려 다이아몬드 결정 호스트에서 통합된 "결점"가 아니. 이들의 다이아몬드에 있는 불순의 합동 그리고 표현에 있고, 유효한 문서1의 광대한 바디가, 빛을 흡수하거나 방출하다 그것에 의하여 많은 수는 "색 중심"로 불립니다.

nanoscale 객체의 동시 심문을 위한 최신식 현미경 검사법과 분광학 기술을 통합해서, 우리는 지금 극적으로 감소된 dimensionality를 가진 물자의 광학적 성질의 실물대 특성을 가능하게 하는 우리의 대처에 공구가 있습니다. nanoparticles의 이론적인 만들고, 및 물자 프로세스 기능의 범위로 결합해 nanoscale 입자, 즉 nanodiamonds의 행동을 예상하고, 변경하고 측정하는 것이 가능합니다.

다이아몬드에 있는 다양한 불순은 관련된 질소, 니켈, 크롬 및 실리콘을 포함하여 약속을, 보여줍니다. 여기에서 초점은 숫자 1.에서 그림을 넣어 보인 질소 공석 색 중심 (NV)에 있습니다. NV 센터는 다이아몬드 살창에 있는 탄소 공석에 인접하여 대체하는 질소 원자로 이루어져 있습니다. 그것에는 실내 온도에 사진 안정되어 있고 이렇게 단 하나 불순에서 광양자의 탐지를 가능하게 하는 높은 광학 단면 및 양 수확량이 있습니다2.

숫자 1. C3v 대칭 (NV)에 있는 N 원자와 격자 공석으로 이루어져 있는 다이아몬드에 있는 질소 공석 센터. 이 "광학적으로 액티브한" 색 중심은 UV 힘 빛을 흡수하고, 전자기 스펙트럼의 힘 NIR 지구에서 방출합니다. 그것은 단일성 양 효율성의 가까이에 가지고 있고 양과 생물학 기술의 범위를 위한 이상적인 빌딩 블록입니다.

nanodiamond에 있는 색 중심이 새롭고 중요한 역할을 하고 있는 3개의 넓은 지역이 있습니다: Nanometrology와 Quantum 생물 의학 화상 진찰, 기술. Macquarie 대학에 Quantum 물자와 응용 (QMApp) 연구 단체는 특정 응용을 위한 nanodiamonds를 낙관하기 위하여 붙박이 의견을 제공하는 강한 물자 제작과 특성 백본에 의해 밑에서 버틴 이 작은 표제의 각각 내의 계획사업이 있습니다.

전통적인 한계의 밑에 가늠자에 객체를 측정하는 것은 모든 생물학 프로세스의 구조물 그리고 기능 이해에 중요한 관심사의 (빛의 회절, 탐사기의 물리적 차원 또는 견본의 상태에 의해 예를들면 제한해) 입니다. 아래에 기술한 대로, nanodiamond는 이 필드에 있는 장소를 두 가지 이유로 붙듭니다: 그것은 밝게 형광을 발하고 있습니다 그리고 그것의 광 신호는 자기장 동요에 영향을 받기 쉽습니다.

다이아몬드 Biolabels

세포의 통신망 안에서 이동하는 관심사의 분자에 예를 들면 붙어 있던 형광성 biolabels를 사용하여 화상 진찰 생물학 프로세스는, 기초가 튼튼한 기술입니다, 그러나, 여러가지 이유로, 기술은 그것의 풍부한 잠재력에 도달하지 않았습니다. 전통적인 fluorophores는 화상 진찰 프로세스 도중 수시로 이따금 고장 신호하고, 그렇지 않으면 돌이킬 수 없 이렇게 fluorophore 관찰될 수 있는 주파수 및 시간에 한계의 두를 표백합니다.

게다가, 특정 fluorophores의 독성은 살아있 세포 화상 진찰을 불가능한 만듭니다. Nanodiamonds는 특정 응용을 위한 유망한 대안으로 인식되었습니다. 약간 기존 fluorophores가 특정 실시를 위한 nanodiamond보다 우량하더라도, nanodiamonds가 고장 신호하거나에 장기 photostability, 저항 표백 및 비 세포 독성이 요구되는 생물 화상 진찰에 있는 벽감을 채울 명확하게 보입니다.

거창한 진전은 형광성 biolabels로 발전 nanodiamonds에서 세계에게 보이고, 진짜 약속이 있습니다3 . 1개 중요한 도전은 그러나 생물학 프로세스와 충돌하지 않기 위하여 충분히 작은 다이아몬드로 충분한 광학적으로 액티브한 결점을 포장하기 위한 것입니다. 그것은 이 단계를 이렇게 똑바르지 않습니다 끕니다.

제작 상태의 범위의 밑에, "광도"를 입자 크기의 기능으로 결정하고 이상적으로 특정 규모의 밝은 발광성 nanodiamonds를 만들기를 위한 예언하는 기구를 개발하는 것이 필수적 입니다4. 5 nm 이하 이상적인 정권에 착수하기 위하여는, 주의는 중심에 있던 아주 좁은 크기 분포가 약 4 nm 있는 "폭발 nanodiamond"에는 불린 물자로 돌았습니다.

숫자 2. NV의 confocal 형광 지도는 다이아몬드 nanocrystals (떠났습니다)와 다이아몬드 결정 단면도의 대응 원자 군대 현미경 검사법 지도에서 중심에 둡니다. 이론적인 만들기로 결합된 이 결합한 측정 기술은 지금 nanodiamond 규모의 범위에 있는 NV 센터의 안정성의 예측을 가능하게 합니다4.

생물 functionalisation에 상당량의5 이미 일되고, NV가 이 다이아몬드에서 검출될 수 있다는 것을 지금 형광 측정은 보여주고 있습니다6. 목표는 현재 NV의 높은 농도를 위한 물자를 낙관하기 위한 것입니다.

다이아몬드 Magnetometry

NV 색 중심의 magnetic-field 과민한 광학적인 전환을 이용해서 약한 자기장을 느끼는 것은 nanodiamond에 기지를 둔 화상 진찰을 위한 가장 활발한 새로운 도로이고, 단 하나 핵 회전급강하의 수준에 잠재적으로 화상 진찰 감도를 가능하게 할 것입니다. 단순하게, 측정은 형광 측정을 가진 결합 자기 공명 기술로 NV 센터의 가까이에 현지 자기장의 변경을 검출하기 위하여 합니다.

실질적으로, 개념은 (예를들면 자기 영역 또는 nanomagnets) 자기장에 nanodiamond를 검사하는 관련시키고 위치의 기능으로 광 신호에 있는 변경을 감시합니다. 적합한 신호를 견본 표면의 자기장 심상이 집합하는에 의하여 그 때 열매를 산출할 것입니다. nanodiamond "탐사기"는 원자 군대 현미경 끝에 붙어 있던 nanodiamond로 이루어져 있을 수 있습니다 (숫자 3)를 보십시오.

숫자 3. 원자 군대 현미경 검사법 공가 끝의 끝에 접착제로 붙는 nanodiamonds의 형광 지도. 정당한 조건 하에서, 자기 영역, 자석 nano 레이블 또는 단 하나 전자 또는 핵 회전급강하를 가진 표면에 끝을 검사하고 필드의 위치 그리고 병력을 지도로 나타내는 것이 가능할 것입니다.

단 하나 전자 및 핵 회전급강하의 수준에 감도를 가능하게 하는 이 기술의 실행가능 그리고 잠재력은 최근에 보고되었습니다7. 이 개척 실험은 그 결과로 유효했던 다이아몬드의 규모 그리고 질에 의해 부과된 실제적인 제한을 강조했습니다. 실제로 이 기술의 감도는 NV 센터와 견본 사이 별거에 의해 크게 제한되고, 수정같은 호스트의 규모에 의해 그러므로 지시됩니다. 이 결과는 중요한 nanoscale 다이아몬드에 있는 NV 센터의 행동의 더 깊은 포괄적인 이해를 추격하기 위하여 동기부여를 제공합니다4.

다이아몬드 Quantum 기술

양 계산 또는 커뮤니케이션에서는, 중요한 빌딩 블록은 양 비트, 또는 qubit 불립니다. Qubits는 가치가 0일 수 있는 단 하나 2 수준 양자계로, 또는 2 사이 1 또는 중첩 이루어져 있습니다. 이 단순화된 설명을 이해하는 것이 이 짧은 약품의 환경에서 충분합니다. 다이아몬드에 있는 NV 센터의 기저 상태에 있는 전자 회전급강하 버금준위는 이상적인 2 수준 시스템 같이 작동합니다; 회전급강하 국가 (또는 qubit 가치) 2의 0개, 1개 또는 조합일 수 있습니다. 게다가, 회전급강하의 국가는 자기 공명과 광 신호를 사용하여 위에 기술한 대로 "" 소리내어 읽을 수 있습니다. 다이아몬드에 있는 NV 센터는 이렇게 양 정보 처리 기술을 건설하는 것은, 그리고 거기 세계 많은8단인 모형 고체 시스템이어 이것을 추격하.

그러나, 다이아몬드에 있는 만발한 양 장치 실행의 도전은 물자 질 및 향상된 제작 전략에 다시 내립니다. 그것은 물자 질에 있는 제한 때문에 부과된 어려움이 손이 닿지 않 이 목표를 다만 유지하다 그러나, 원칙상, 다이아몬드에 있는 예를 들면, 소규모 양 처리기를 실행하는 것은 가능합니다.

다이아몬드에 있는 색 중심, 다이아몬드에 있는 단 하나 광양자 근원을 통합하기 위하여 발전 기술에서 점진하거든, 다이아몬드 기지를 둔 양 기술이 실제적 되는지 어느 정도까지 다이아몬드에 있는 결합한 qubits는 결정할 것입니다.


참고

1. Zaitsev, A. 의 다이아몬드의 광학적 성질: 데이터 수첩. (베를린 2001년, Springer).
2. Kurtsiefer, C., Mayer, S., Zarda, P. 및 Weinfurter, H.는, 물리적인 검토 85 (2), 290를 써 넣습니다 (2000년); Brouri, R., Beveratos, A., Poizat, J.P., 및 Grangier, P. 의 광학은 25 (17) 1294년을 써 넣습니다 (2000년).
3. Chang, Y. - R. 그 외 여러분, Nat Nano 3 (5), 284 (2008년).
4. Bradac, 그 외 여러분 C., Nano 편지 (2009년).
5. Osawa, E., 순수한 및 적용되는 화학 80 (7) 1365년 (2008년); Krüger, 그 외 여러분 A., Langmuir 24 (8), 4200 (2008년).
6. 스미스, 그 외 여러분 B.R., 작은 5 (14) 1649년 (2009년).
7. Balasubramanian, 그 외 여러분 G., 성격 455 (7213), 648 (2008년); 미로, 그 외 여러분 J.R., 성격 455 (7213), 644 (2008년).
8. Gaebel, 그 외 여러분 T., 성격 물리학 2 (6), 408 (2006년); Stoneham, A.M, Harker, A.H., 및 Morley, G.W. 의 물리학 압축된 사정 21 (36)의 전표 (2009년); Wrachtrup, J. 및 Jelezko, F. 의 물리학 압축된 사정 18 (21), S807 (2006년)의 전표.

, 저작권 AZoNano.com 제임스 Rabeau (Macquarie 대학) 교수

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

Last Update: 14. June 2013 01:34

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