Harvard-Spezialisten stellen das kleinste Radio der Welt aus Diamanten her

Dieser Funkempfänger ist erst der Anfang der Arbeit. In Zukunft planen Wissenschaftler, andere Eigenschaften von Diamanten zu nutzen, um elektronische Miniaturkomponenten herzustellen.

Forscher von SEAS ( Harvard John A. Paulson School für Ingenieurwissenschaften und angewandte Wissenschaften ) haben den kleinsten Funkempfänger der Welt aus rosa Diamanten hergestellt. Genauer gesagt, die Rolle des Empfängers spielen nicht die Diamanten selbst, sondern mikroskopisch kleine Defekte in einem Kristallgitter von der Größe mehrerer Atome. Das winzige Radio selbst besteht aus Blöcken mit einer Größe von zwei Atomen. Arbeiten Sie einen solchen Empfängerkann unter den widrigsten Bedingungen, wenn ein elektronisches Gerät einfach ausfällt. Es kann die Oberfläche der Venus sein, die Mündung eines Vulkans. Ein ähnliches System kann in der Medizin verwendet werden - verwenden Sie beispielsweise ein ähnliches Modul als Herzschrittmacher.

Der Leiter des Entwicklungsteams war Marko Lončar. Zusammen mit seinem Doktoranden Linbo Shao schlug er die Idee vor, Punktdefekte in Diamanten zu verwenden, die als stickstoffsubstituierte Leerstellen in Diamanten bekannt sind. Der Defekt selbst ist eine Verletzung der Struktur des Diamantkristallgitters, die auftritt, wenn ein Kohlenstoffatom von der Gitterstelle entfernt und die gebildete Lücke an das Stickstoffatom gebunden wird.

Die Einzigartigkeit dieses Defekts liegt in der Tatsache, dass seine Eigenschaften den Eigenschaften eines Atoms fast ähnlich sind, unabhängig davon, ob es im Diamantkristallgitter „eingefroren“ ist: Die Elektronenspins des einzelnen Zentrums können leicht manipuliert werden durch: Licht; magnetische, elektrische und Mikrowellenfelder; - Damit können Sie Quanteninformationen (Qubits) auf der Rückseite des mittleren Kerns aufzeichnen. Eine solche Manipulation ist sogar bei Raumtemperatur möglich; Das Zentrum hat eine lange Speicherzeit (bis zu einigen Millisekunden) der induzierten Spinpolarisation ... Derzeit kann das NV-Zentrum als das logische Grundelement des zukünftigen Quantenprozessors betrachtet werden, der für die Erstellung eines Quantencomputers, Kommunikationsleitungen mit einem Quantensicherheitsprotokoll und anderer Spintronikanwendungen erforderlich ist.

Um eine stickstoffsubstituierte Lücke zu schaffen, ersetzten die Forscher das Kohlenstoffatom in einem winzigen Diamanten durch ein Stickstoffatom und entfernten eines der benachbarten Atome. Als Ergebnis wurde ein System aus einem Stickstoffatom und einem "Loch" gebildet. Jobs können verwendet werden, um ein einzelnes Photon zu emittieren oder um ein schwaches Magnetfeld zu erfassen. Systeme dieses Typs zeichnen sich durch photolumineszierende Eigenschaften aus, was die Möglichkeit bedeutet, Informationen in Licht umzuwandeln. Dies eröffnet die Möglichkeit, stickstoffsubstituierte Stellen in den Bereichen Quantencomputer, Photonik und anderen Bereichen zu nutzen.

Selbst hochreiner natürlicher und synthetischer Diamant (Typ IIa) enthält einen kleinenKonzentration von NV-Zentren. (Hochreiner synthetischer Diamant wird durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt.) Wenn die Konzentration der Zentren nicht ausreicht, werden die Proben bestrahlt und getempert. Die Bestrahlung erfolgt mit energiereichen Partikeln (10–80 keV); Es kann ein Strom sein: Elektronen, Protonen, Neutronen und Gammapartikel. NV-Zentren werden in einer Tiefe von bis zu 60 Mikrometern erzeugt. Interessanterweise liegt NV0 hauptsächlich bis zu 0,2 μm tief. Die bei Raumtemperatur entstandenen Leerstellen sind inaktiv, aber mit zunehmender Temperatur (über 800 ° C) nimmt ihre Mobilität erheblich zu. Das in das Gitter eingeführte Stickstoffatom fängt eine der Lücken ein und erzeugt NV− mit der benachbarten Lücke.


Radios bestehen normalerweise aus fünf Grundkomponenten: einer Energiequelle, einem Empfänger, einem Wandler, der elektromagnetische Wellen in elektrischen Strom umwandelt, einem Regler und einer Dynamik. Das von Harvard-Spezialisten entwickelte System enthält alle diese Komponenten, allerdings nicht in der Form, in der wir sie gewohnt sind.

Die Energiequelle ist hier ein Laserstrahl, der auf Elektronen in stickstoffsubstituierten Leerstellen gerichtet ist. Elektronen sind empfindlich gegenüber dem elektromagnetischen Feld, so dass sie unter dem Einfluss von Laserstrahlen auf Radiowellen reagieren. Wenn eine Leerstelle eine Funkwelle erkennt, wandelt sie diese in rotes Licht um, das durch eine Fotodiode (in diesem Fall einen Konverter) umgeleitet wird. Er verwandelt Licht in eine Strömung. Ferner wird der Strom unter Verwendung des Lautsprechers in Ton umgewandelt.

Aber was ist mit der Einrichtung eines solchen Empfängers? Wissenschaftler haben dieses Problem ebenfalls gelöst. Sie erzeugten ein Magnetfeld um den Diamanten, das gesteuert werden kann, um die Frequenz der von Leerstellen wahrgenommenen Radiowellen zu ändern. Das Signal kann verstärkt werden, wenn Sie mit mehr offenen Stellen arbeiten. SEAS-Forscher verwenden Milliarden solcher punktförmigen Diamantdefekte. Das System kann mit einer freien Stelle arbeiten, aber in diesem Fall kann leider immer nur ein Photon anstelle eines roten Lichtstroms emittiert werden.

Das Forscherteam hofft, in Zukunft die Möglichkeit untersuchen zu können, mit anderen atomaren Defekten zu arbeiten, beispielsweise mit Siliziumleerstellen in Diamanten. Vielleicht hilft dies, die Funkwellen besser zu kontrollieren.

Bei der Durchführung von Testversuchen mit einem Diamantradio arbeiteten Wissenschaftler, auch unter Bedingungen erhöhter Temperatur - etwa 350 Grad Celsius. „Diamanten haben einzigartige Eigenschaften“, sagt der Projektmanager. "Dieses Radio kann im Weltraum, unter schwierigen Bedingungen oder im menschlichen Körper arbeiten."

Die Studie wurde vom STC Center for Integrated Quantum Materials unterstützt .

Source: https://habr.com/ru/post/de400171/