Defectele din diamant confirmă o teorie veche de 80 de ani despre stresul din cristale
O echipă de cercetători din Japonia a reușit pentru prima dată să cartografieze direct mai multe componente ale câmpului de stres din jurul unui defect la scară atomică din structura cristalină a diamantului. Studiul, condus de Tokuyuki Teraji de la Institutul Național pentru Știința Materialelor din Japonia, a fost publicat în Applied Physics Letters și validează o teorie formulată acum opt decenii despre distribuția câmpurilor microscopice de stres în diamant.
Centrele azot-vacanță, senzori la scară atomică
Echipa a folosit centrele azot-vacanță (NV) din diamant ca senzori minusculi ai stresului din jurul unei dislocații. Aceste defecte apar atunci când un atom de carbon din rețeaua cristalină este înlocuit cu un atom de azot, aflat lângă un loc vacant. Stările de spin ale electronilor neîmperecheați asociați acestor centre sunt foarte sensibile la mediul local, inclusiv la stresul mecanic, iar informația cuantică se păstrează mult timp, chiar și la temperatura camerei. Când sunt iluminate cu laser, centrele NV fluorescează mai puternic sau mai slab în funcție de starea de spin, iar prin aplicarea de microunde cercetătorii pot inversa acest spin, dar numai când frecvența microundelor corespunde frecvenței de rezonanță a centrului.
Modul de măsurare
În rețeaua diamantului, centrele NV pot ocupa patru orientări posibile, iar frecvențele lor de rezonanță se deplasează diferit în funcție de direcția stresului față de axa dintre atomul de azot și vacanță. Această particularitate permite separarea componentelor tensorului de stres. Pentru a detecta aceste deplasări, cercetătorii au crescut mai întâi o peliculă subțire de diamant de înaltă calitate prin depunere chimică în fază de vapori și au identificat o regiune în care câmpul de stres era dominat de o singură dislocație la 45 de grade. Pelicula a fost crescută din carbon îmbogățit în izotopul carbon-12, care sporește coerența stărilor de spin, iar concentrația de azot a fost ajustată fin pentru a maximiza luminozitatea fluorescenței fără a sacrifica coerența.
Precizie de aproximativ un megapascal
Cu ajutorul unui microscope confocal, centrele NV din peliculă au fost supuse unor perechi de impulsuri de microunde, separate de un interval ales cu grijă. Metoda a permis măsurarea frecvențelor de rezonanță cu precizie extremă, pe baza luminozității fluorescenței, detectând stresul cu o precizie de circa un megapascal, de aproximativ zece ori mai mare decât a metodelor convenționale. Cercetătorii au cartografiat astfel patru componente separate ale tensorului de stres din jurul dislocației.
Rezultatele confirmă teoria elasticității
Măsurătorile au scos la iveală o distribuție a stresului simetrică față de un punct, centrată pe dislocație, cu variații mici de stres detectate cu succes. Prin ajustarea datelor pe baza teoriei elasticității, echipa a obținut valori ale proprietăților elastice ale diamantului care corespund îndeaproape valorilor cunoscute pentru diamantul masiv, confirmând acordul cu tensorul de stres calculat teoretic. Potrivit lui Teraji, este pentru prima dată când tensorul analitic de stres din jurul unei singure dislocații, prevăzut de teoria elasticității, este validat experimental direct.
Aplicații pentru cristalele de înaltă calitate
Echipa speră că această combinație între fabricarea fin reglată a diamantului și măsurarea directă a stresului va aduce progrese importante în tehnologiile emergente. Abordarea permite evaluarea cantitativă și ajustarea câmpurilor locale de stres din jurul defectelor microscopice care afectează performanța dispozitivelor, oferind astfel repere directe pentru optimizarea proceselor de creștere a cristalelor și pentru creșterea fiabilității dispozitivelor de putere și cuantice de generație următoare. Capacitatea de a măsura direct câmpurile de stres ale dislocațiilor individuale și de a distinge o singură dislocație de un mănunchi de astfel de defecte ar putea oferi, în cele din urmă, un cadru nou și puternic pentru analiza defectelor din cristale.
