DiamantRotationen: Stor-Time Applikationer för Egentligen Lilla Diamanter

vid Prof. James Rabeau

Förbunden Professor James Rabeau, GruppLedare, Quantum Material och Applikationer (QMApp); Framtida Kamrat för Australiensiskt ForskningRåd, Avdelning av Fysik, Macquarie Universitetar
Motsvarande författare: jrabeau@science.mq.edu.au

Diamanten är välkänd för dess ytterlighetrekvisita, inklusive kemiska och biologiska inertness för hårdhet, den kickDebye temperaturen, termisk conductivity för kick och lindrar av bio-functionalisation för att namnge några.

Över jumbon har 10 år, diamant som ett teknologiskt materiellt sett att förnyat och ökande som ska jämnas av intresserar med äktat potentiellt. Ett nyckel- krav att möjliggöra några av de senaste potentiella applikationerna för den ska diamanten rely tungt på kapaciteten att kontrollera och skräddare fabriceringen och förstår uppförandet av nanoscalediamanten (några mindre än 5 nm i diameter).

Att göra uppgiften även mer utmana och intressera scientifically, är det inte diamantkristallen sig själv som är av primärt intresserar, men ”hoppar av ganska” inkorporerat i diamantkristallen varar värd. Det finns ett vast förkroppsligar av litteratur som är tillgänglig på inkorporeringen och manifestationen av impurities i diamant1, och av dessa, ses en stort antal till, som ”färga centrerar”, whereby de absorberar eller sänder ut lätt.

Genom att integrera som är statligt - av - - konstmicroscopy- och spektroskopitekniker för samtidig utfrågning av nanoscale anmärker, oss har nu bearbetar på vårt förfogande för att möjliggöra mycket - fjällcharacterisationen av den optiska rekvisitan av material med dramatiskt förminskande dimensionality. Kopplat Ihop med teoretiskt modellera av nanoparticles och en spänna av material som bearbetar kapaciteter är det, möjligheten som förutsäger som ändrar och som mäter uppförandet av nanoscalepartiklar, namely nanodiamonds.

En variation av impurities i diamantshowlöfte, inklusive ett gasformigt grundämne, mynt, krom och silikoner förband. Fokusera här är på ett gasformigt grundämne-vakansen färgar centrerar (NV) visat pictorially i Figurerar 1. NVEN centrerar består av en substitutional ett gasformigt grundämneatom som är närgränsande till en kolvakans i diamantgallret. Det är foto-stall på rumstemperaturen och har en optisk tvärsnitt- och quantumavkastning för kick som möjliggör thus upptäckten av fotoner från en singelimpurity2.

Figurera 1. Ett gasformigt grundämne-vakansen (NV) centrerar i diamanten som består av enAtom och gallervakans i C3v-symmetri. Denna ”aktiv” färgar optiskt centrerar absorberar UV-Vis lätt och sänder ut i Vis-NIRregionen av den elektromagnetiska spectrumen. Den har nära enhetquantumeffektivitet och är det byggande kvarteret för ideal för en spänna av quantumen och biologiska teknologier.

Det finns tre breda områden som färga i centrerar i nanodiamond leker en ny och viktig roll: Avbilda för Biomedical, Nanometrology och Quantum teknologier. Gruppen för forskning för för Quantum Material och Applikationer (QMApp) på den Macquarie Universitetar har projekterar inom varje av dessa under-överskrifter som styrkas av en stark materialfabricering- och characterisationryggrad som ger inbyggd återkoppling för att optimera nanodiamonds för specifika applikationer.

att Mäta anmärker på ett fjäll som nedanfört konventionellt begränsar (eg. begränsat av diffraction av ljust, dimensionerar läkarundersökningen av en sond, eller villkora av ta prov) är av kritiskt intresserar till överenskommelse strukturera och fungerar biologiskt bearbetar allra. Som beskrivit nedanfört rymmer nanodiamond en förlägga i denna sätter in för två resonerar: den fluorescing ljust, och dess optiska signalerar är känsliga till magnetiskt sätter in växlingar.

Diamant Biolabels

att Avbilda som är biologiskt, bearbetar genom att använda fluorescerande biolabels som fästas for example till en molekyl av, intresserar resande inom en knyta kontakt av celler, är en brunn - etablerad teknologi, emellertid, för en variation av resonerar, tekniken har inte nett dess fulla potentiellt. Konventionella fluorophores blinkar ofta 'På/av' under avbilda som är processaa eller annan blekmedel som förlägger irreversibly thus en begränsa på tiden och frekvensen som det fluorophore kan observeras på.

Dessutom framför toxiciteten av bestämda fluorophores levande-cell att avbilda omöjligt. Nanodiamonds har känts igen som lovas applikationer för ett alternativ med säkerhet. Även Om några existerande fluorophores är överlägsna till genomföranden för nanodiamond med säkerhet, verkar det klart att ska nanodiamonds fyller en niche i bio-att avbilda, var den långsiktiga photostabilityen, motstånd till att blinka eller att bleka och non-cytotoxicity krävs.

Enormt framsteg har gjorts världsomspännande i framkallande nanodiamonds som fluorescerande biolabels, och det finns det äktaa löftet3 . En nyckel- utmaning är emellertid att packa nog aktivet hoppar av optiskt in i en diamant som är liten nog, för att inte störa med biologiskt bearbetar. Den vänder denna kliver ut är inte så rättfram.

Under en spänna av fabriceringen villkorar, är det nödvändigt att bestämma ”ljusstyrkan”, som en fungera av partikeln storleksanpassar och framkallar idealt en predictive ram för danande som ljusa luminescent nanodiamonds av bestämt storleksanpassar4. Att få besegra till idealstyret nedanföra 5 nm, uppmärksamhet har vänt till materiell kallad ”detonationen en nanodiamond”, som har ett mycket smalt att storleksanpassa fördelning som centreras omkring 4 nm.

Figurera 2. En confocal fluorescence kartlägger av NV centrerar i (lämnade) diamantnanocrystals, och den motsvarande atom- styrkamicroscopyen kartlägger av diamantkristallen profilerar. Denna kombinerade mätningsteknik som kopplas ihop med teoretiskt modellera möjliggör nu, förutsägelsen av stabiliteten av NV centrerar i en spänna av nanodiamond storleksanpassar4.

Ett betydligt belopp av arbete på bio-functionalisation5 har redan gjorts, och nu är fluorescencemätningar visningen att NV kan avkännas i dessa diamanter6. Målet är i dagsläget att optimera det materiellt för en kickkoncentration av NV.

DiamantMagnetometry

Avkänning svagt magnetiskt sätter in, genom att exploatera magnetisk-sätta in som den känsliga optiska övergången av NV färgar centrerar är den mest spännande nya avenyn för nanodiamond baserat avbilda, och ska potentiellt möjliggöra att avbilda känslighet på det jämnt av kärn- snurranden för singeln. Simplistically göras mätningen, genom att koppla ihop magnetiska resonanstekniker med fluorescencemätningar för att avkänna ändringen av en magnetisk lokal för att sätta in nära en NV, centrerar.

Praktiskt gäller begreppet att avläsa en nanodiamond över magnetiskt sätter in (e.g magnetiska områden eller nanomagnets) och övervakar ändringen i optiskt signalerar som en fungera av placerar. Samla anslå signalera skulle därefter avkastning som ett magnetiskt sätter in avbildar av ta prov ytbehandlar. Nanodiamonden ”sond” kan bestå av en nanodiamond som fästas till en atom- styrkamikroskopspets (se för att Figurera 3).

Figurera 3. Fluorescence kartlägger av nanodiamonds som limmas till spetsen av en atom- spets för styrkamicroscopycantilever. Under rätten villkorar, ska den är möjligheten som avläser spetsen över en ytbehandla med magnetiska områden, magnetiska nano-etiketter, eller även sätter in singelelektronen eller kärn- snurranden och att kartlägga placera och styrkan av.

Feasibilityen och det potentiellt av denna teknik som möjliggör känslighet till det jämnt av singelelektronen och kärn- snurranden, anmäldes för en tid sedan7. Dessa bana väg för experiment markerade därför de praktiska begränsningarna som lades på av storleksanpassa och som var kvalitets- av tillgängliga diamanter. Sannerligen begränsas känsligheten av denna teknik i hög grad av avskiljandet mellan NVEN centrerar och ta prov, och därför dikterings av storleksanpassa av kristallen vara värd. Dessa resultat ger viktig motivation för att förfölja ett djupare, och omfattande överenskommelse av uppförandet av NV centrerar i nanoscalediamanter4.

DiamantQuantum Teknologier

I quantumuträkning eller kommunikation benämnas det nyckel- byggande kvarteret en quantum bet, eller qubit. Qubits består av ett jämnt quantumsystem för singel 2, som värdera kan vara i 0, eller 1 eller en superposition mellan tvåna. Det är tillräckligt i sammanhanget av denna kort artikel att förstå denna förenklade förklaring. Elektronsnurrandet under-jämnar i det slipade statligt av NVEN centrerar i diamant uppför något liknande ett jämnt system för ideal 2; den statliga snurrandet (eller qubit värdera), kan vara 0, 1 eller en kombination av tvåna. Dessutom kan det statligt av snurrandet ”läsas ut” genom att använda magnetisk resonans, och optiskt signalerar enligt ovan. NVEN centrerar i diamant är thus ett halvledar- system för modellera som att bygga en information om quantum som bearbetar teknologier, 8och där, är många världsomspännande grupper på förfölja detta.

Emellertid kommer utmaningen av att genomföra fullt utvecklade quantumapparater i diamant igen besegrar till materiella kvalitets- och avancerade fabriceringstrategier. Den är i den görliga principen att genomföra, till exempel underhåller en liten fjällquantumprocessor i diamant, however svårigheterna lade på på grund av begränsningar i materiellt kvalitets-, detta mål precis ut ur räckvidd.

Framsteg i framkallande tekniker till införlivat färgar centrerar i diamanten, singelfotonkällor i diamant, och förbundna qubits i den ska diamanten bestämmer till vilka graden diamant-baserade quantumteknologier blir praktiska.


Hänvisar till

1. Zaitsev A., Optisk rekvisita av diamanten: en datahandbok. (Springer, Berlin, 2001).
2. Kurtsiefer, C., Mayer, S., Zarda, P. och Weinfurter, H., Läkarundersökning Granskar Märker 85 (2), 290 (2000); Brouri, R., Beveratos, A., Poizat, J.P. och Grangier, P., Optik Märker 25 (17), 1294 (2000).
3. Chang Y. - R. o.a., Nat Nano 3 (5), 284 (2008).
4. Bradac C. o.a. som Är Nano Märker (2009).
5. Osawa, för E., Ren och Applicerad Kemi 80 (7), 1365 (2008); Krüger A. o.a., Langmuir 24 (8), 4200 (2008).
6. Smed B.R. o.a., Lilla 5 (14), 1649 (2009).
7. Balasubramanian G. o.a., Natur 455 (7213), 648 (2008); Maze J.R. o.a., Natur 455 (7213), 644 (2008).
8. Gaebel T. o.a., NaturFysik 2 (6), 408 (2006); Stoneham, A M., Harker, A.H. och Morley, G.W., Förar Journal över av Fysik-Kondenserad Materia 21 (36) (2009); Wrachtrup, J. och Jelezko, F., Förar Journal över av Fysik-Kondenserad Materia 18 (21), S807 (2006).

Ta Copyrightt på AZoNano.com, Professorn James Rabeau (den Macquarie Universitetar)

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

Last Update: 14. June 2013 01:59

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