El diamante puro consta de átomos de carbono en una red cristalina perfecta. Pero elimine algunos carbonos y cambie otros por nitrógeno, y obtienes un diamante con propiedades especiales de detección cuántica. Estas propiedades son útiles para aplicaciones de información cuántica y detección de campos magnéticos, y como plataforma para investigar los misterios de la física cuántica.

Cuando un átomo de nitrógeno está al lado del espacio desocupado por un átomo de carbono, forma lo que se llama un centro de vacantes de nitrógeno (NV). Ahora, los investigadores han demostrado cómo pueden crear más centros NV, lo que facilita la detección de campos magnéticos, utilizando un método relativamente simple que se puede hacer en muchos laboratorios. Describen sus resultados esta semana en Letras de física aplicada .

La detección de campo magnético presenta un excelente ejemplo de la importancia de esta detección. La luz verde puede inducir a los centros NV a emitir fluorescencia y emitir luz roja, pero la cantidad de esta fluorescencia cambia en presencia de un campo magnético. Midiendo el brillo de la fluorescencia, Los centros Diamond NV pueden ayudar a determinar la intensidad del campo magnético. Un dispositivo de este tipo puede generar imágenes magnéticas de una variedad de tipos de muestras, incluyendo rocas y tejido biológico.

La sensibilidad de este tipo de detección magnética está determinada por la concentración de centros NV, mientras que las vacantes que no están emparejadas con nitrógeno crean ruido. Conversión eficiente de vacantes en centros NV, por lo tanto, así como maximizar la concentración de centros NV, juega un papel clave en el avance de estos métodos de detección.

Los investigadores suelen comprar diamantes dopados con nitrógeno de una empresa independiente. Luego bombardean el diamante con electrones, protones u otras partículas, que quitan algunos de los átomos de carbono, dejando atrás vacantes. Finalmente, un proceso de calentamiento llamado recocido empuja las vacantes junto a los átomos de nitrógeno para formar los centros NV. El problema es que la irradiación a menudo requiere enviar su muestra a una instalación separada, que es caro y requiere mucho tiempo.

"Lo que tiene de especial nuestro enfoque es que es muy simple y directo, ", dijo Dima Farfurnik de la Universidad Hebrea de Jerusalén en Israel." Obtienes concentraciones de NV suficientemente altas que son apropiadas para muchas aplicaciones con un procedimiento simple que se puede realizar internamente ".

Su método utiliza bombardeo de electrones de alta energía en un microscopio electrónico de transmisión (TEM), un instrumento accesible para muchos investigadores, para crear localmente centros NV. Normalmente, un TEM se utiliza para obtener imágenes de materiales hasta resoluciones subnanométricas, pero su estrecho haz de electrones también puede irradiar diamantes.

Otros han demostrado que los TEM pueden crear centros NV en muestras de diamantes especializadas, pero los investigadores de este estudio probaron con éxito el método en varias muestras de diamantes disponibles comercialmente.

En un típico, muestra sin tratar, menos del 1 por ciento de los átomos de nitrógeno forman centros NV. Pero al usar un TEM, los investigadores aumentaron esta eficiencia de conversión hasta un 10 por ciento. En algunos casos, las muestras alcanzaron su límite de saturación, y más irradiación ya no era eficaz. Para otras muestras, sin embargo, los investigadores no alcanzaron este límite, lo que sugiere que la irradiación adicional podría aumentar aún más la eficiencia. Con mayores eficiencias de conversión, y pequeños volúmenes de irradiación posibles con un TEM, dispositivos como sensores magnéticos podrían ser más compactos.

Para asegurarse de que el método no obstaculice la eficacia de los NV en aplicaciones como la detección de campos magnéticos, los investigadores confirmaron que el tiempo que los centros NV permanecen en sus estados, el tiempo de coherencia, no cambió.

Empacar suficientes centros NV en un diamante permitiría a los físicos sondear las interacciones cuánticas entre los propios centros. Esta investigación podría permitir la creación de un estado cuántico único llamado estado comprimido, lo que nunca antes se ha demostrado en forma sólida y podría llevar las capacidades de detección de estos sistemas más allá de los límites clásicos de hoy.

"Esperamos que la mayor cantidad de centros NV debido a la irradiación sirva como un trampolín para este ambicioso objetivo a largo plazo, "Dijo Farfurnik.