Los especialistas de Harvard crean la radio más pequeña del mundo a partir de diamantes

Esta radio es solo el comienzo del trabajo, en el futuro, los científicos planean usar otras propiedades de los diamantes para crear componentes electrónicos en miniatura.Los

investigadores de SEAS ( Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences ) han creado la radio más pequeña del mundo de diamantes rosados. Más precisamente, el papel del receptor no es desempeñado por los diamantes en sí, sino por defectos microscópicamente pequeños en una red cristalina del tamaño de varios átomos. La pequeña radio en sí está compuesta de bloques cuyo tamaño es de dos átomos. Trabaja tal receptorpuede en las condiciones más adversas, cuando cualquier dispositivo electrónico simplemente falla. Puede ser la superficie de Venus, la boca de un volcán. Se puede usar un sistema similar en medicina; por ejemplo, use un módulo similar como marcapasos.

El líder del equipo de desarrollo fue Marko Lončar. Él, junto con su estudiante de posgrado Linbo Shao, propuso la idea de usar defectos puntuales en los diamantes, que se conocen como vacantes sustituidas con nitrógeno en los diamantes. El defecto en sí mismo es una violación de la estructura de la red cristalina de diamante, que ocurre cuando se elimina un átomo de carbono del sitio de la red y la vacante formada se une al átomo de nitrógeno.

La singularidad de este defecto radica en el hecho de que sus propiedades son casi similares a las propiedades de un átomo, ya sea que esté "congelado" en la red cristalina de diamante: los espines de electrones del centro individual se manipulan fácilmente: por la luz; campos magnéticos, eléctricos y de microondas; - que le permite grabar información cuántica (qubits) en la parte posterior del núcleo central. Tal manipulación es posible incluso a temperatura ambiente; el centro tiene un tiempo de almacenamiento largo (que alcanza varios milisegundos) de la polarización de espín inducida ... En la actualidad, el centro NV puede considerarse como el elemento lógico básico del futuro procesador cuántico, necesario para crear una computadora cuántica, líneas de comunicación con un protocolo de seguridad cuántica y otras aplicaciones espintrónicas.

Para crear una vacante sustituida con nitrógeno, los investigadores reemplazaron el átomo de carbono en un pequeño diamante con un átomo de nitrógeno, eliminando uno de los átomos vecinos. Como resultado, se formó un sistema a partir de un átomo de nitrógeno y un "agujero". Los trabajos se pueden usar para emitir un solo fotón o para detectar un campo magnético débil. Los sistemas de este tipo se caracterizan por sus propiedades fotoluminiscentes, lo que significa la posibilidad de convertir información en luz. Esto abre la posibilidad de usar vacantes sustituidas con nitrógeno en computación cuántica, fotónica y otros campos.

Incluso el diamante natural y sintético de alta pureza (tipo IIa) contiene un pequeñoconcentración de centros NV. (El diamante sintético de alta pureza está hecho con deposición química de vapor (CVD)). Si la concentración de los centros es insuficiente, las muestras se irradian y se recocen. La irradiación se lleva a cabo por partículas de alta energía (10–80 keV); Puede ser una corriente: electrones, protones, neutrones y partículas gamma. Los centros NV se crean a una profundidad de hasta 60 micras. Curiosamente, NV0 se encuentra principalmente hasta 0.2 μm de profundidad. Las vacantes creadas a temperatura ambiente están inactivas, pero al aumentar la temperatura (por encima de 800 ° C) su movilidad aumenta significativamente. El átomo de nitrógeno introducido en la red captura una de las vacantes y crea NV - con la vacante vecina.


En cuanto a las radios, generalmente consisten en cinco componentes básicos: una fuente de energía, un receptor, un transductor que convierte las ondas electromagnéticas en corriente eléctrica, un regulador y dinámica. El sistema creado por especialistas de Harvard tiene todos estos componentes, aunque no en la forma en que estamos acostumbrados a verlos.

La fuente de energía aquí es un rayo láser, que está dirigido a electrones en vacantes sustituidas con nitrógeno. Los electrones son sensibles al campo electromagnético, por lo que reaccionan a las ondas de radio bajo la influencia de los rayos láser. Cuando una vacante detecta una onda de radio, la convierte en luz roja, que se redirige a través de un fotodiodo (en este caso, un convertidor). Convierte la luz en corriente. Además, la corriente se convierte en sonido usando el altavoz.

Pero, ¿qué pasa con la configuración de tal receptor? Los científicos también han resuelto este problema. Crearon un campo magnético alrededor del diamante, que puede controlarse para cambiar la frecuencia de las ondas de radio percibidas por las vacantes. La señal puede amplificarse si trabaja con más vacantes. Los investigadores de SEAS usan miles de millones de tales defectos de diamante puntiagudos. El sistema puede funcionar con una vacante, pero, desafortunadamente, en este caso, solo se puede emitir un fotón a la vez, en lugar de una corriente de luz roja.

En el futuro, el equipo de investigadores espera explorar la posibilidad de trabajar con otros defectos atómicos, por ejemplo, con vacantes de silicio en diamantes. Quizás esto ayude a controlar mejor las ondas de radio.

Al realizar pruebas de prueba de una radio de diamante, los científicos trabajaron, incluso en condiciones de temperatura elevada, alrededor de 350 grados centígrados. "Los diamantes tienen propiedades únicas", dice el gerente del proyecto. "Esta radio puede funcionar en el espacio, en condiciones difíciles o en el cuerpo humano".

El estudio fue apoyado por el Centro STC para Materiales Cuánticos Integrados .

Source: https://habr.com/ru/post/es400171/