Wissenschaftler der Skoltech, der Moskauer Pädagogischen Staatlichen Universität und anderer Forschungszentren haben eine neue Klasse von Defekten in Diamanten entdeckt, die zur Quanteninformationsverarbeitung und präzisen und ferngesteuerten Temperaturmessung innerhalb sehr kleiner Objekte wie lebender Zellen genutzt werden könnten. Die Ergebnisse wurden in einem Brief veröffentlicht, der in Physical Review B erschien.
Farbzentren (Color Center) sind ein Oberbegriff für Defekte unterschiedlicher Art in einem transparenten Kristall, normalerweise Diamant. Üblicherweise ist ein Farbzentrum ein Fremdatom wie Stickstoff, das in das Kristallgitter des Diamanten eingebettet ist und bei einem oder mehreren benachbarten Kohlenstoffatomen fehlt.
Was Farbzentrums seinen Namen gibt, sind seine optischen Eigenschaften. Während Diamant selbst für sichtbares Licht transparent ist, sind Farbzentren, die in ihm sichtbare Flecken haben, technologisch ansprechend, um Licht zu absorbieren und es in einem recht schmalen Spektralbereich, das heißt mit sehr spezifischer Farbe (Wellenlänge), wirkungsvoll wieder auszusenden. Farbzentren können effektiv einzelne Photonen emittieren. Es gibt verschiedene potenzielle Anwendungen, bei denen diese schmalbandige Emission von Einzelphotonen nützlich ist.
Einzelpotonen sind Bausteine für Quantenoptik- und Quanteninformationsanwendungen. Zum Beispiel sind solche Photonen nützlich für die ultimative Datensicherheitstechnologie – die Quantenverschlüsselung. Sie ermöglicht die sichere Übertragung von Informationen zwischen zwei Parteien und beinhaltet einen Austausch verschlüsselter Nachrichten sowie den dazugehörigen Schlüsseln.
Der Schlüssel muss über einen sicheren Kanal übertragen werden, und einige Quantenschlüsselverteilungsprotokolle erfordern eine effektive Quelle von einzelnen, ununterscheidbaren Photonen. Das bedeutet, dass die Parameter der emittierten Photonen wie Polarisation und Wellenlänge mit hoher Genauigkeit übereinstimmen müssen.
Eine weitere aufregende Eigenschaft der Photonenemission von Farbzentren besteht darin, dass die Wellenlänge des emittierten Lichts empfindlich auf die Umgebungstemperatur reagiert. Dies bedeutet, dass die von diesen Defekten produzierten Photonen Informationen über die Temperatur der Umgebung, in der der Diamant ist, tragen.
Angesichts der Tatsache, dass Wissenschaftler Nanodiamanten mit eingebetteten Farbzentren herstellen können, ist es möglich, sehr kleine Thermometer mit hoher räumlicher und Temperaturauflösung zu erstellen. Laut den Forschern würde eine solche Temperaturmessung in biologischen Anwendungen gut funktionieren. In anderen Studien wurden bereits Nanodiamanten in Zellen eingeführt, um interne Temperaturschwankungen zu untersuchen.
Color Center in Diamanten sind seit etwa 40 Jahren bekannt und wurden untersucht. Die neue Art, die wir entdeckt haben, hat hervorragende Eigenschaften, was potenzielle technologische Anwendungen angeht. Insbesondere ist der spektrale Bereich der Emission von unseren Zentren im Vergleich zu allen zuvor bekannten Farbzentren fast zehnmal schmaler. Die schmalbandigen Emissionen und die hohe Helligkeit würden empfindlichere Thermometer ermöglichen, wie der Hauptautor der Studie, der Skoltech-PhD-Student Arthur Neliubov, kommentierte.
Er fügte hinzu, dass eine weitere interessante Eigenschaft der neuen Farbzentrums die schmalbandige Erregung ist. Sie geben nicht nur im schmalen Spektralbereich Licht ab, sondern absorbieren es auch selektiv. Jedes Farbzentrum ist auch von derselben Klasse etwas anders, und es gibt Anwendungen, bei denen dies ausgenutzt werden könnte, um eine sehr gezielte Reaktion von ihnen hervorzurufen.
Ein Beispiel wäre eine analytische Technik, die in der Biologie als Multicolor-Bildgebung
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