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A Revolução do Diamante: Pedidos Importantes para Diamantes Realmente Pequenos

pelo Prof. James Rabeau

Professor Adjunto James Rabeau, Líder do Grupo, Materiais do Quantum e Aplicações (QMApp); Companheiro Futuro do Conselho de Pesquisa Australiano, Departamento de Física, Universidade de Macquarie
Autor Correspondente: jrabeau@science.mq.edu.au

O Diamante é conhecido para suas propriedades extremas, incluindo a dureza, inertness químico e biológico, alta temperatura de Debye, condutibilidade térmica alta e facilidade de bio-functionalisation para nomear alguns.

Durante os últimos 10 anos, o diamante como um material tecnologico viu um nível de interesse renovado e crescente com potencial genuíno. Uma exigência chave permitir alguns dos pedidos potenciais os mais atrasados para o diamante confiará pesadamente na capacidade para controlar e costurar a fabricação, e compreende o comportamento do diamante do nanoscale (alguns menos de 5 nanômetro no diâmetro).

Para fazer a tarefa que desafia, e scientifically interessante, não é o cristal próprio do diamante que é do interesse preliminar, mas um pouco os “defeitos” incorporados no anfitrião do cristal do diamante. Há um corpo vasto da literatura disponível na incorporação e na manifestação das impurezas no diamante1, e destes, um grande número é referido como de “centros cor” por meio de que absorvem ou se emitem a luz.

Integrando técnicas avançadas da microscopia e da espectroscopia para a interrogação simultânea de objetos do nanoscale, nós temos agora as ferramentas em nossa eliminação para permitir a caracterização completa das propriedades ópticas dos materiais com extensibilidade dramàtica reduzida. Acoplado com modelagem teórica dos nanoparticles, e uma escala de capacidades de processamento dos materiais é possível prever, alterar e medir o comportamento de partículas do nanoscale, a saber nanodiamonds.

Uma variedade de impurezas no diamante mostram a promessa, incluindo o nitrogênio, o níquel, o cromo e o silicone relativos. O foco aqui está no centro de cor da nitrogênio-vaga (NANOVOLT) mostrado pictorially em Figura 1. O centro do NANOVOLT consiste em um átomo substitutional do nitrogênio junto a uma vaga do carbono na estrutura de diamante. É foto-estável na temperatura ambiente e tem um secção transversal óptico e um rendimento de quantum altos que permitem assim a detecção de fotão de uma única impureza2.

Figura 1. O centro (NV) da nitrogênio-vaga no diamante que consiste em uma vaga do N-Átomo e da estrutura na simetria de C3v. Este centro de cor “óptica activo” absorve a luz do Uv-Vis, e emite-se na região do Vis-NIR do espectro eletromagnético. Tem perto da eficiência de quantum da unidade e é o bloco de apartamentos ideal para uma escala do quantum e de tecnologias biológicas.

Há três áreas largas em que os centros de cor no nanodiamond estão jogando um papel novo e significativo: Imagem lactente, tecnologias Biomedicáveis de Nanometrology e de Quantum. O grupo de investigação dos Materiais e das Aplicações do Quantum (QMApp) na Universidade de Macquarie tem projectos dentro de cada um destes subtítulos sustentados por uma espinha dorsal forte da fabricação e da caracterização dos materiais que forneça o feedback incorporado para aperfeiçoar nanodiamonds para aplicações específicas.

Os objetos de Medição em uma escala abaixo dos limites convencionais (por exemplo limitado pela difracção da luz, pelas dimensões físicas de uma ponta de prova ou pela condição da amostra) são do interesse crítico a compreender a estrutura e a função de todos os processos biológicos. Como descrito abaixo, o nanodiamond guardara um lugar neste campo por duas razões: está brilhando brilhantemente e seu sinal óptico é suscetível às flutuações do campo magnético.

Diamante Biolabels

Os processos biológicos da Imagem Lactente usando os biolabels fluorescentes, anexados por exemplo a uma molécula do interesse que viaja dentro de uma rede das pilhas, são uma tecnologia bem conhecida, contudo, por vários motivos, a técnica não alcançou sua capacidade plena. Os fluorophores Convencionais piscam frequentemente sobre e fora durante o processo da imagem lactente, ou então descoram irreversìvel assim a colocação de um limite no tempo e na freqüência em que o fluoróforo pode ser observado.

Além Disso, a toxicidade de determinados fluorophores torna a imagem lactente da vivo-pilha impossível. Nanodiamonds foi reconhecido como aplicações prometedoras de uma alternativa com certeza. Embora alguns fluorophores existentes sejam superiores às aplicações do nanodiamond com certeza, parece claro que os nanodiamonds encherão uma ameia na bio-imagem lactente, onde o photostability a longo prazo, a resistência a piscar ou descoramento e a não-citotoxidade são exigidos.

O progresso Tremendo foi feito mundial em nanodiamonds tornando-se como biolabels fluorescentes, e há uma promessa genuína3 . Um desafio chave contudo é embalar bastante defeitos óptica activos em um diamante que seja pequeno bastante para não interferir com os processos biológicos. Despeja esta etapa não é tão directo.

Sob uma escala de condições da fabricação, é essencial determinar o “brilho” em função do tamanho de partícula e desenvolver idealmente uma estrutura com carácter de previsão para fazer nanodiamonds luminescentes brilhantes de determinados tamanhos4. Para obter para baixo ao regime ideal abaixo de 5 nanômetro, a atenção girou para um material chamado da “o nanodiamond detonação”, que tem uma distribuição muito estreita do tamanho centrada ao redor 4 nanômetro.

Figura 2. Um mapa confocal da fluorescência do NANOVOLT centra-se em nanocrystals do diamante (saiu) e no mapa atômico correspondente da microscopia da força dos perfis do cristal do diamante. Esta técnica de medida combinada acoplada com modelagem teórica permite agora a previsão da estabilidade de centros do NANOVOLT em uma escala de tamanhos do nanodiamond4.

Uma quantidade de trabalho considerável em bio-functionalisation5 tem sido feita já, e agora as medidas da fluorescência estão mostrando que o NANOVOLT pode ser detectado nestes diamantes6. O objetivo é presentemente aperfeiçoar o material para uma concentração alta de NANOVOLT.

Magnetometria do Diamante

Detectar campo magnèticos fracos explorando a transição óptica sensível magnética de centros de cor do NANOVOLT é a avenida nova a mais emocionante para a imagem lactente baseada nanodiamond, e permitirá potencial a sensibilidade de imagem lactente a nível de únicas rotações nucleares. Simplista, a medida é feita por técnicas de acoplamento da ressonância magnética com medidas da fluorescência para detectar a mudança de um campo magnético local perto de um centro do NANOVOLT.

Praticamente, o conceito envolve fazer a varredura de um nanodiamond sobre campo magnèticos (por exemplo domínios magnéticos ou nanomagnets) e monitora a mudança no sinal óptico em função da posição. Recolher o sinal apropriado renderia então uma imagem do campo magnético da superfície da amostra. O nanodiamond “ponta de prova” pode consistir em um nanodiamond anexado a uma ponta atômica do microscópio da força (veja Figura 3).

Figura 3. mapa da Fluorescência dos nanodiamonds colados à ponta de uma ponta atômica do modilhão da microscopia da força. Sob as circunstâncias direitas, será possível fazer a varredura da ponta sobre uma superfície com domínios magnéticos, nano-etiquetas magnéticas ou mesmo únicas rotações do elétron ou as nucleares e traçar a posição e a força dos campos.

A possibilidade e o potencial desta técnica permitir a sensibilidade ao nível de único elétron e de rotações nucleares foram relatados recentemente7. Estas experiências de abertura de caminhos destacaram conseqüentemente as limitações práticas impor pelo tamanho e pela qualidade dos diamantes disponíveis. A sensibilidade desta técnica é limitada Certamente pela maior parte pela separação entre o centro do NANOVOLT e a amostra, e ditada conseqüentemente pelo tamanho do anfitrião de cristal. Estes resultados fornecem a motivação significativa para levar a cabo uma compreensão mais profunda e mais detalhada do comportamento de centros do NANOVOLT em diamantes do nanoscale4.

Tecnologias do Quantum do Diamante

Na computação ou na comunicação do quantum, o bloco de apartamentos chave é denominado um bit do quantum, ou qubit. Qubits consiste em um único sistema de quantum de 2 níveis em que o valor pode ser 0, ou 1 ou uma superposição entre os dois. É suficiente no contexto deste artigo curto compreender esta explicação simplificada. Os secundário-níveis da rotação do elétron no estado à terra do centro do NANOVOLT no diamante comportam-se como um sistema do nível do ideal 2; o estado de rotação (ou o valor do qubit) podem ser 0, 1 ou uma combinação dos dois. Além Disso, o estado da rotação pode “ser lido para fora” usando a ressonância magnética e sinais ópticos como descrito acima. O centro do NANOVOLT no diamante é assim um sistema de circuito integrado modelo em que construir tecnologias de processamento da informação do quantum8, e lá é muitos grupos mundiais levando a cabo isto.

Contudo, o desafio de executar dispositivos desenvolvidos do quantum no diamante vem outra vez para baixo à qualidade material e às estratégias avançadas da fabricação. É em princípio praticável executar, por exemplo, um processador do quantum da pequena escala no diamante, porém as dificuldades impor devido às limitações na qualidade material mantêm este objetivo apenas fora do alcance.

Progrida em técnicas tornando-se para incorporar os centros de cor no diamante, únicas fontes do fotão no diamante, e os qubits acoplados no diamante determinarão a que grau diamante-baseou tecnologias do quantum se torna prático.


Referências

1. Zaitsev, A., propriedades Ópticas do diamante: um manual dos dados. (Springer, Berlim, 2001).
2. Kurtsiefer, o C., Mayer, o S., Zarda, o P., e Weinfurter, H., Revisão Física Rotulam 85 (2), 290 (2000); Brouri, o R., Beveratos, o A., Poizat, o J.P., e Grangier, P., Sistema Ótico Rotulam 25 (17), 1294 (2000).
3. Chang, Y. - R. e outros, 3 Nano Nat (5), 284 (2008).
4. Bradac, C. e outros, Letras Nano (2009).
5. Química 80 de Osawa, de E., Pura e Aplicada (7), 1365 (2008); Krüger, A. e outros, Langmuir 24 (8), 4200 (2008).
6. Smith, B.R. e outros, 5 Pequenos (14), 1649 (2009).
7. Balasubramanian, G. e outros, Natureza 455 (7213), 648 (2008); Labirinto, J.R. e outros, Natureza 455 (7213), 644 (2008).
8. Gaebel, T. e outros, Física da Natureza 2 (6), 408 (2006); Stoneham, A M., Harker, A.H., e Morley, G.W., Jornal da Matéria Física-Condensada 21 (36) (2009); Wrachtrup, J. e Jelezko, F., Jornal da Matéria Física-Condensada 18 (21), S807 (2006).

Copyright AZoNano.com, Professor James Rabeau (Universidade de Macquarie)

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

Last Update: 14. June 2013 01:48

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