Especialistas de Harvard criam o menor rádio do mundo a partir de diamantes

Este receptor de rádio é apenas o começo do trabalho, no futuro, os cientistas planejam usar outras propriedades dos diamantes para criar componentes eletrônicos em miniatura.Os

pesquisadores da SEAS ( Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Harvard John A. Paulson ) criaram o menor receptor de rádio do mundo a partir de diamantes rosa. Mais precisamente, o papel do receptor não é desempenhado pelos próprios diamantes, mas por defeitos microscopicamente pequenos em uma treliça de cristal do tamanho de vários átomos. O minúsculo rádio é constituído por blocos cujo tamanho é de dois átomos. Trabalhe como um receptorpode nas condições mais adversas, quando qualquer dispositivo eletrônico simplesmente falha. Pode ser a superfície de Vênus, a boca de um vulcão. Um sistema semelhante pode ser usado na medicina - por exemplo, use um módulo semelhante ao marcapasso.

O líder da equipe de desenvolvimento era Marko Lončar. Ele, juntamente com seu aluno de graduação Linbo Shao, propôs a idéia de usar defeitos pontuais em diamantes, conhecidos como vagas substituídas por nitrogênio em diamantes. O defeito em si é uma violação da estrutura da treliça de cristal de diamante, que ocorre quando um átomo de carbono é removido do local da treliça e a vaga formada é ligada ao átomo de nitrogênio.

A singularidade desse defeito reside no fato de que suas propriedades são quase semelhantes às propriedades de um átomo, seja ele “congelado” na estrutura de cristal de diamante: os giros de elétrons do centro individual são facilmente manipulados: pela luz; campos magnéticos, elétricos e de microondas; - que permite gravar informações quânticas (qubits) na parte traseira do núcleo central. Essa manipulação é possível mesmo à temperatura ambiente; Atualmente, o centro NV pode ser considerado como o elemento lógico básico do futuro processador quântico necessário para criar um computador quântico, linhas de comunicação com um protocolo de segurança quântica e outras aplicações spintrônicas.

Para criar uma vaga substituída por nitrogênio, os pesquisadores substituíram o átomo de carbono em um pequeno diamante por um átomo de nitrogênio, removendo um dos átomos vizinhos. Como resultado, um sistema foi formado a partir de um átomo de nitrogênio e um "buraco". Os trabalhos podem ser usados ​​para emitir um único fóton ou para detectar um campo magnético fraco. Sistemas deste tipo são caracterizados por propriedades fotoluminescentes, o que significa a possibilidade de converter informações em luz. Isso abre a possibilidade de usar vagas substituídas por nitrogênio em computação quântica, fotônica e outros campos.

Mesmo o diamante natural e sintético (tipo IIa) de alta pureza contém um pequenoconcentração de centros NV. (O diamante sintético de alta pureza é feito usando deposição de vapor químico (CVD)). Se a concentração dos centros for insuficiente, as amostras serão irradiadas e recozidas. A irradiação é realizada por partículas de alta energia (10–80 keV); pode ser um fluxo: elétrons, prótons, nêutrons e partículas gama. Os centros NV são criados a uma profundidade de até 60 mícrons. Curiosamente, o NV0 tem principalmente 0,2 m de profundidade. As vagas criadas à temperatura ambiente são inativas, mas com o aumento da temperatura (acima de 800 ° C), sua mobilidade aumenta significativamente. O átomo de nitrogênio introduzido na rede captura uma das vagas e cria NV- com a vaga vizinha.


Quanto aos rádios, eles geralmente consistem em cinco componentes básicos: uma fonte de energia, um receptor, um transdutor que transforma ondas eletromagnéticas em corrente elétrica, um regulador e dinâmica. O sistema criado pelos especialistas de Harvard possui todos esses componentes, embora não da forma em que estamos acostumados a vê-los.

A fonte de energia aqui é um feixe de laser, voltado para elétrons em vagas substituídas por nitrogênio. Os elétrons são sensíveis ao campo eletromagnético, de modo que reagem às ondas de rádio sob a influência de raios laser. Quando uma vaga detecta uma onda de rádio, ela a converte em luz vermelha, que é redirecionada através de um fotodiodo (neste caso, um conversor). Ele transforma a luz em uma corrente. Além disso, a corrente é convertida em som usando o alto-falante.

Mas e quanto a configurar um receptor assim? Os cientistas também resolveram esse problema. Eles criaram um campo magnético ao redor do diamante, que pode ser controlado para alterar a frequência das ondas de rádio percebidas pelas vagas. O sinal pode ser amplificado se você trabalhar com mais vagas. Os pesquisadores do SEAS usam bilhões de tais defeitos de diamante pontuais. O sistema pode funcionar com uma vaga, mas, infelizmente, neste caso, apenas um fóton pode ser emitido por vez, em vez de um fluxo de luz vermelha.

No futuro, a equipe de pesquisadores espera explorar a possibilidade de trabalhar com outros defeitos atômicos, por exemplo, com vagas de silício em diamantes. Talvez isso ajude a controlar melhor as ondas de rádio.

Ao realizar testes experimentais de um rádio com diamante, os cientistas trabalharam, inclusive sob condições de temperatura elevada - cerca de 350 graus Celsius. "Os diamantes têm propriedades únicas", diz o gerente de projeto. "Este rádio pode funcionar no espaço, em condições difíceis ou no corpo humano."

O estudo foi apoiado pelo STC Center for Integrated Quantum Materials .

Source: https://habr.com/ru/post/pt400171/