Алмаз известен в материаловедении как лучший природный проводник тепла на Земле, но новые исследования показывают, что на атомном уровне он может кратковременно улавливать тепло неожиданными способами. Результаты могут повлиять на то, как учёные разрабатывают квантовые технологии на основе алмазов, включая сверхточные датчики и будущие квантовые компьютеры.
В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, учёные из Университета Уорика и их коллеги показали, что при возбуждении определённых молекулярных дефектов в алмазе светом они создают крошечные, короткоживущие «горячие точки», которые на мгновение искажают окружающий кристалл. Эти искажения длятся всего несколько триллионных долей секунды, но этого достаточно, чтобы повлиять на поведение квантово-значимых дефектов.
Профессор Джеймс Ллойд-Хьюз из физического факультета Университета Уорика объяснил: «Обнаружение горячего основного состояния для дефекта молекулярного масштаба в алмазе было для нас крайне удивительным. Алмаз — лучший проводник тепла, поэтому можно было ожидать, что транспорт энергии предотвратит любой такой эффект. Однако на наноуровне некоторые фононы — пакеты колебательной энергии — задерживаются вблизи дефекта, создавая миниатюрную горячую среду, которая воздействует на сам дефект».
Команда изучала конкретный атомный дефект в алмазе, где атом азота заменяет атом углерода и связывается с водородом — известный как дефект Ns:H-C0. Когда исследователи возбудили связь C–H дефекта с помощью сверхбыстрых импульсов инфракрасного лазера, они ожидали, что тепло немедленно рассеется в алмазную решётку.
Вместо этого продвинутая спектроскопия выявила любопытный эффект: дефект кратковременно перешёл в так называемое «горячее основное состояние» — это означает, что окружающий кристалл всё ещё был горячим, а дефект был изменён. Присутствие накопленной колебательной энергии поблизости сместило инфракрасную сигнатуру дефекта в область более высокой энергии, достигнув пика через несколько пикосекунд, а затем затухая.
Доктор Джунн Кит, научный сотрудник физического факультета Оксфордского университета и бывший аспирант Уорика, сказал: «Для этого исследования мы использовали многомерную когерентную спектроскопию (2DIR) для изучения дефекта, что позволяет нам разделить отклик дефекта, вызванный светом с разными энергиями».
«Это первый раз, когда мы применили эту технику для изучения алмазных дефектов, и прямое наблюдение формирования горячего основного состояния превзошло наши ожидания. Мы очень довольны результатами этого нового подхода и воодушевлены тем, что ещё можно изучить с помощью этой техники».
Лазер создаёт магнитные ландшафты на заказ
Исследователи из Института Пауля Шеррера (PSI) в сотрудничестве с Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) в Боулдере, Колорадо, впервые успешно использовали существующую лазерную технологию для непрерывного изменения магнитных свойств двумерных материалов.
Этот простой и быстрый метод должен сделать возможным большое количество приложений, включая методы хранения и обработки данных. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Иногда использование обычных инструментов по-новому даёт поразительные результаты. Именно это произошло, когда исследователи использовали высокотехнологичное лазерное оборудование в чистой комнате PSI для того, чего оно не предназначено. Оно было изначально закуплено для фотолитографии — процесса создания крошечных двумерных структур.
Обычно лазер облучает фоторезист светом разной интенсивности, создавая разные уровни экспозиции. Эта так называемая серая литография создаёт трёхмерный рельеф, который затем можно перенести на желаемый материал. Одной из важных областей применения этой технологии является современная микрооптика; её можно использовать, например, для изготовления линз для смартфонов.
«Мы используем этот инструмент не по назначению, — объясняет Алеш Храбец. — Мы используем его для создания двумерных непрерывных изменений магнитных свойств в материалах, которые важны для различных приложений».
Храбец — учёный из исследовательской группы мезоскопических систем, которую возглавляет Лаура Хейдерман и которая принадлежит как PSI, так и ETH Zurich. Под мезоскопическими системами понимаются системы с размерами в несколько микрометров. Для сравнения: диаметр человеческого волоса во много раз больше — около 100 микрометров.
Если вы хотите изменить свойства магнитного материала, вы можете, например, нагреть его в печи. Но это изменяет весь образец. В поисках метода для локально ограниченных изменений исследователи PSI пришли к идее поместить тонкую плёнку магнитного материала без фоторезиста в существующее литографическое устройство.
«Это была сумасшедшая идея, поэтому я был очень удивлён, что она сработала сразу», — говорит Лорен Риддифорд, постдок в группе мезоскопических систем. «Когда мы посмотрели на магнитный контраст под специальным микроскопом, мы сразу увидели непрерывные изменения магнитных свойств».
Лазер действует как печь, но его воздействие изменяет магнитные свойства с высокой точностью. Лазер используется для сканирования поверхности образца материала, модулируя интенсивность света по желанию. Это нагревает очень маленькие области размером всего 150 нанометров. Процесс называется лазерным отжигом прямой записи, или сокращённо DWLA. Такой целенаправленный нагрев вызывает локальные изменения в материале — он окисляется, кристаллизуется или сплавляет два металла. Это может изменить силу или направление намагничивания и повлиять на взаимодействие между двумя материалами.