金刚石革命: 对确实小的金刚石的出色的申请

由詹姆斯 Rabeau 教授

詹姆斯 Rabeau 副教授,组领导先锋、 Quantum 材料和应用 (QMApp); 澳大利亚研究会议将来的研究员,物理系麦觉理大学
对应的作者: jrabeau@science.mq.edu.au

金刚石为其极其属性是著名的,包括坚硬、化工和生物惰性、高 Debye 温度、高导热性和方便生物functionalisation 命名一些。

在过去 10 年期间,金刚石作为技术材料看到了一个更新的和增长的兴趣级别以真正潜在。 一个关键需求启用某些对金刚石的最新的潜在的申请将非常依靠这个能力控制和剪裁制造,并且了解 nanoscale 金刚石工作情况 (一些少于 5 毫微米直径)。

要做挑战这项的任务,和科学地有趣,它不 是主要兴趣的金刚石水晶,但是相当在金刚石水晶主机”合并的 “缺陷。 有文件一个浩大的机体可用在杂质的并网和显示在金刚石1,并且这些,大数指 “色心”,藉以他们吸收或散发光。

通过集成 nanoscale 对象的同时审讯的科技目前进步水平显微学和分光学技术,我们现在有工具在我们的启用材料光学性能的全方位描述特性的处理与显著减少的幅员的。 加上理论上塑造 nanoparticles 和材料加工功能的范围预测,修改和评定 nanoscale 微粒,即 nanodiamonds 工作情况是可能的。

在金刚石的各种各样的杂质显露才华,包括氮气、涉及的镍、铬和硅。 这里这个重点在图 (NV) 摄影显示的氮气闲置色心 1. 上。 NV 中心在金钢石点阵的碳闲置附近包括一个代替氮气原子。 它是照片稳定的在室温并且有因而启用光子的检测的从唯一杂质的高光截面和量子产额2

图 1。 在包括 (NV)在 C3v 对称的金刚石的氮气闲置中心 N 原子和格子闲置。 此 “光学上有效的”色心在这个电磁波频谱的力NIR 区域吸收紫外力光,并且散发。 它有在团结量子效率附近并且是数量和生物技术的范围的理想的构件。

有在 nanodiamond 的色心扮演一个新和重大的角色的三清楚的区: 生物医学的想象, Nanometrology 和 Quantum 技术。 Quantum 材料和应用 (QMApp) 在麦觉理大学的研究小组有在提供固定反馈优选特定应用的 nanodiamonds 的严格的材料制造和描述特性中坚加固的这些小标题中的每一个的内项目。

在一等级的测量对象在常规限额下 (即限制由光的衍射,探测的实体尺寸或范例的情况) 是重要利益对了解所有生物学过程的结构和功能。 如下所述, nanodiamond 由于两个原因拿着此域的一个安排: 它明亮地发萤光,并且其光学信号是易受磁场波动。

金刚石 Biolabels

使用萤光 biolabels 的想象生物学过程,附有例如利益移动在细胞内网络的分子,是源远流长的技术,然而,由于各种各样的原因,这个技术未实现其潜能。 在想象进程期间,常规 fluorophores 断断续续经常闪亮,或者漂白不可逆转地因而安置限额在荧光团可以被观察的时间和频率。

此外,某些 fluorophores 有毒使活细胞想象不可能。 Nanodiamonds 被认可了作为某些应用的有为的替代。 虽然那些现有的 fluorophores 在某些实施的 nanodiamond 是优越,似乎确切 nanodiamonds 将装载在生物想象的一个适当位置,需要长期 photostability、阻力对闪亮或漂白的和非细胞毒性。

极大的进展取得了全世界在开发的 nanodiamonds 作为萤光 biolabels,并且有真正承诺3 。然而一个关键挑战是包装足够的光学上有效的缺陷到是足够小的以便不干涉生物学过程的金刚石。 它结果此步骤不是那么直接的。

在制造情况下的范围,确定 “亮光”作为颗粒大小功能和理想地说开发做的明亮的明亮 nanodiamonds 一个预计结构某些范围是重要的4。 要开始考虑理想的政权在 5 毫微米以下,注意转向称 “爆炸 nanodiamond 的”材料,有被集中的非常缩小的大小分布大约 4 毫微米。

图 2。 NV 共焦的荧光映射在金刚石 nanocrystals (离开) 和金刚石水晶配置文件的对应的基本强制显微学映射集中。 此联合的计量技术加上理论上塑造现在启用 NV 中心的稳定性的预测在 nanodiamond 范围的范围的4

在生物functionalisation 相当数量的工作5已经被完成了,并且荧光评定现在向显示 NV 在这些金刚石可以被检测6。 这个目标当前是优选 NV 的高浓度的材料。

金刚石磁测量学

感觉弱的磁场通过利用 NV 色心的磁场敏感光学转移是 nanodiamond 基于想象的最扣人心弦的新的大道和可能地启用想象区分在唯一核自旋的级别。 单纯化地,这个评定用与荧光评定的耦合的磁反应技术做在 NV 中心附近检测一个局部磁场的更改。

实际上,这个概念介入浏览在磁场的一 nanodiamond (即磁域或 nanomagnets) 作为位置功能,并且监控在光学信号上的变化。 收集这个适当的信号然后将产生范例表面的一个磁场图象。 nanodiamond “探测”可能包括 nanodiamond 附有一个基本强制显微镜技巧 (参见图 3)。

图 3. nanodiamonds 荧光映射被胶合对一个基本强制显微学悬臂式技巧的技巧。 在合适条件下,浏览在表面的技巧与磁域、磁性纳诺标签甚至唯一电子或核自旋和映射域的位置和力量将是可能的。

此技术可行性和潜在启用区分对唯一电子和核自旋的级别最近报告了7。 这些作早期工作在的实验因而显示了可用的金刚石的范围和质量强加的实用的限制。 的确此技术区分由在 NV 中心和这个范例之间的分隔主要限制,并且由水晶主机的范围指明。 这些结果提供重大的刺激继续处理对 NV 中心工作情况的更加深刻和更加全面的了解在 nanoscale 金刚石的4

金刚石 Quantum 技术

在数量计算或通信,关键构件被命名数量位或者 qubit。 Qubits 包括这个值可以是 0 的唯一 2 级的量子论系统,或者 1 或者在二之间的叠置。 在此短的条款中了解此简化的说明是满足的。 在 NV 中心的地面情况的电子空转分段在金刚石的正常运行象一个理想的 2 级的系统; 旋转状态 (或 qubit 值) 可以是 0, 1 或者组合的二。 此外,空转的状态可以 “如上所述读出”使用磁反应和光学信号。 在金刚石的 NV 中心因而是建立一个数量信息处理的技术,和那里是全世界8许多的组继续处理此的一个模型固体系统。

然而,实施在金刚石的成熟的数量设备的挑战再下来到物质质量和先进的制造方法。 是原则上可行的实施,例如,在金刚石的一个小规模数量处理器,然而困难强加由于限制进入物质质量维护不可及此的目标。

继续进行在开发的技术合并在金刚石的色心,在金刚石的唯一光子来源,并且在金刚石的耦合的 qubits 将确定基于金刚石的数量技术在何种程度上变得实用。


参考

1. Zaitsev, A.,金刚石光学性能: 数据手册。 (蹦跳的人,柏林, 2001)。
2. Kurtsiefer、 C.、 Mayer、 S.、 Zarda、 P. 和 Weinfurter, H.,实际复核在 85 (2), 290 上写字 (2000); Brouri、 R.、 Beveratos、 A.、 Poizat、 J.P. 和 Grangier, P.,光学在 25 (17) 上写字, 1294 (2000)。
3. 苌氏, Y。 - R。等, Nat 纳诺 3 (5), 284 (2008)。
4. Bradac,等 C.,纳诺信函 (2009)。
5. Osawa, E.,纯和应用的化学 80 (7), 1365 (2008); Krüger,等 A., Langmuir 24 (8), 4200 (2008)。
6. 史密斯, B. 等 R.,小 5 (14), 1649 (2009)。
7. Balasubramanian,等 G.,本质 455 (7213), 648 (2008); 迷宫, J. 等 R.,本质 455 (7213), 644 (2008)。
8. Gaebel,等 T.,本质物理 2 (6), 408 (2006); Stoneham、上午、 Harker、 A.H. 和 Morley, G.W.,物理浓缩的问题 21 (36) 日记帐 (2009); Wrachtrup、 J. 和 Jelezko, F.,物理浓缩的问题 18 (21), S807 日记帐 (2006)。

版权 AZoNano.com,詹姆斯 Rabeau (麦觉理大学) 教授

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

Last Update: 14. June 2013 01:08

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