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金剛石革命: 對確實小的金剛石的出色的申請

由詹姆斯 Rabeau 教授

詹姆斯 Rabeau 副教授,組領導先鋒、 Quantum 材料和應用 (QMApp); 澳大利亞研究會議將來的研究員,物理系麥覺理大學
對應的作者: jrabeau@science.mq.edu.au

金剛石為其極其屬性是著名的,包括堅硬、化工和生物惰性、高 Debye 溫度、高導熱性和方便生物functionalisation 命名一些。

在過去 10 年期間,金剛石作為技術材料看到了一個更新的和增長的興趣級別以真正潛在。 一個關鍵需求啟用某些對金剛石的最新的潛在的申請將非常依靠這個能力控制和剪裁製造,并且瞭解 nanoscale 金剛石工作情況 (一些少於 5 毫微米直徑)。

要做挑戰這項的任務,和科學地有趣,它不 是主要興趣的金剛石水晶,但是相當在金剛石水晶主機」合併的 「缺陷。 有文件一個浩大的機體可用在雜質的並網和顯示在金剛石1,并且這些,大數指 「色心」,藉以他們吸收或散發光。

通過集成 nanoscale 對象的同時審訊的科技目前進步水平顯微學和分光學技術,我們現在有工具在我們的啟用材料光學性能的全方位描述特性的處理與顯著減少的幅員的。 加上理論上塑造 nanoparticles 和材料加工功能的範圍預測,修改和評定 nanoscale 微粒,即 nanodiamonds 工作情況是可能的。

在金剛石的各種各樣的雜質顯露才華,包括氮氣、涉及的鎳、鉻和硅。 這裡這個重點在圖 (NV) 攝影顯示的氮氣閑置色心 1. 上。 NV 中心在金鋼石點陣的碳閑置附近包括一個代替氮氣原子。 它是照片穩定的在室溫并且有因而啟用光子的檢測的從唯一雜質的高光截面和量子產額2

圖 1。 在包括 (NV)在 C3v 對稱的金剛石的氮氣閑置中心 N 原子和格子閑置。 此 「光學上有效的」色心在這個電磁波頻譜的力NIR 區域吸收紫外力光,并且散發。 它有在團結量子效率附近并且是數量和生物技術的範圍的理想的構件。

有在 nanodiamond 的色心扮演一個新和重大的角色的三清楚的區: 生物醫學的想像, Nanometrology 和 Quantum 技術。 Quantum 材料和應用 (QMApp) 在麥覺理大學的研究小組有在提供固定反饋優選特定應用的 nanodiamonds 的嚴格的材料製造和描述特性中堅加固的這些小標題中的每一個的內項目。

在一等級的測量對象在常規限額下 (即限制由光的衍射,探測的實體尺寸或範例的情況) 是重要利益對瞭解所有生物學過程的結構和功能。 如下所述, nanodiamond 由於兩個原因拿著此域的一個安排: 它明亮地發螢光,并且其光學信號是易受磁場波動。

金剛石 Biolabels

使用螢光 biolabels 的想像生物學過程,附有例如利益移動在細胞內網絡的分子,是源遠流長的技術,然而,由於各種各樣的原因,這個技術未實現其潛能。 在想像進程期間,常規 fluorophores 斷斷續續經常閃亮,或者漂白不可逆轉地因而安置限額在熒光團可以被觀察的時間和頻率。

此外,某些 fluorophores 有毒使活細胞想像不可能。 Nanodiamonds 被認可了作為某些應用的有為的替代。 雖然那些現有的 fluorophores 在某些實施的 nanodiamond 是優越,似乎確切 nanodiamonds 將裝載在生物想像的一個適當位置,需要長期 photostability、阻力對閃亮或漂白的和非細胞毒性。

極大的進展取得了全世界在開發的 nanodiamonds 作為螢光 biolabels,并且有真正承諾3 。然而一個關鍵挑戰是包裝足够的光學上有效的缺陷到是足够小的以便不干涉生物學過程的金剛石。 它結果此步驟不是那麼直接的。

在製造情況下的範圍,確定 「亮光」作為顆粒大小功能和理想地說開發做的明亮的明亮 nanodiamonds 一個預計結構某些範圍是重要的4。 要開始考慮理想的政權在 5 毫微米以下,注意轉向稱 「爆炸 nanodiamond 的」材料,有被集中的非常縮小的大小分佈大約 4 毫微米。

圖 2。 NV 共焦的熒光映射在金剛石 nanocrystals (離開) 和金剛石水晶配置文件的對應的基本強制顯微學映射集中。 此聯合的計量技術加上理論上塑造現在啟用 NV 中心的穩定性的預測在 nanodiamond 範圍的範圍的4

在生物functionalisation 相當數量的工作5已經被完成了,并且熒光評定現在向顯示 NV 在這些金剛石可以被檢測6。 這個目標當前是優選 NV 的高濃度的材料。

金剛石磁測量學

感覺弱的磁場通過利用 NV 色心的磁場敏感光學轉移是 nanodiamond 基於想像的最扣人心弦的新的大道和可能地啟用想像區分在唯一核自旋的級別。 單純化地,這個評定用與熒光評定的耦合的磁反應技術做在 NV 中心附近檢測一個局部磁場的更改。

實際上,這個概念介入瀏覽在磁場的一 nanodiamond (即磁域或 nanomagnets) 作為位置功能,并且監控在光學信號上的變化。 收集這個適當的信號然後將產生範例表面的一個磁場圖像。 nanodiamond 「探測」可能包括 nanodiamond 附有一個基本強制顯微鏡技巧 (參見圖 3)。

圖 3. nanodiamonds 熒光映射被膠合對一個基本強制顯微學懸臂式技巧的技巧。 在合適條件下,瀏覽在表面的技巧與磁域、磁性納諾標籤甚至唯一電子或核自旋和映射域的位置和力量將是可能的。

此技術可行性和潛在啟用區分對唯一電子和核自旋的級別最近報告了7。 這些作早期工作在的實驗因而顯示了可用的金剛石的範圍和質量強加的實用的限制。 的確此技術區分由在 NV 中心和這個範例之間的分隔主要限制,並且由水晶主機的範圍指明。 這些結果提供重大的刺激繼續處理對 NV 中心工作情況的更加深刻和更加全面的瞭解在 nanoscale 金剛石的4

金剛石 Quantum 技術

在數量計算或通信,關鍵構件被命名數量位或者 qubit。 Qubits 包括這個值可以是 0 的唯一 2 級的量子論系統,或者 1 或者在二之間的疊置。 在此短的條款中瞭解此簡化的說明是滿足的。 在 NV 中心的地面情況的電子空轉分段在金剛石的正常運行像一個理想的 2 級的系統; 旋轉狀態 (或 qubit 值) 可以是 0, 1 或者組合的二。 此外,空轉的狀態可以 「如上所述讀出」使用磁反應和光學信號。 在金剛石的 NV 中心因而是建立一個數量信息處理的技術,和那裡是全世界8許多的組繼續處理此的一個模型固體系統。

然而,實施在金剛石的成熟的數量設備的挑戰再下來到物質質量和先進的製造方法。 是原則上可行的實施,例如,在金剛石的一個小規模數量處理器,然而困難強加由於限制進入物質質量維護不可及此的目標。

繼續進行在開發的技術合併在金剛石的色心,在金剛石的唯一光子來源,并且在金剛石的耦合的 qubits 將確定基於金剛石的數量技術在何種程度上變得實用。


參考

1. Zaitsev, A.,金剛石光學性能: 數據手冊。 (蹦跳的人,柏林, 2001)。
2. Kurtsiefer、 C.、 Mayer、 S.、 Zarda、 P. 和 Weinfurter, H.,實際覆核在 85 (2), 290 上寫字 (2000); Brouri、 R.、 Beveratos、 A.、 Poizat、 J.P. 和 Grangier, P.,光學在 25 (17) 上寫字, 1294 (2000)。
3. 萇氏, Y。 - R。等, Nat 納諾 3 (5), 284 (2008)。
4. Bradac,等 C.,納諾信函 (2009)。
5. Osawa, E.,純和應用的化學 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.,本質 455 (7213), 648 (2008); 迷宮, J. 等 R.,本質 455 (7213), 644 (2008)。
8. Gaebel,等 T.,本質物理 2 (6), 408 (2006); Stoneham、上午、 Harker、 A.H. 和 Morley, G.W.,物理濃縮的問題 21 (36) 日記帳 (2009); Wrachtrup、 J. 和 Jelezko, F.,物理濃縮的問題 18 (21), S807 日記帳 (2006)。

版權 AZoNano.com,詹姆斯 Rabeau (麥覺理大學) 教授

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

Last Update: 14. June 2013 01:12

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