Nečisti dijamanti – dragulji novih tehnologija
Koristeći se laserskom tehnologijom, istraživači su po prvi puta uspjeli vidjeti kretanje energije i objasniti modifikaciju rešetke u dijamantima koji su onečišćeni dušikom te koji tako imaju priliku postati pokretač tehnološkog napretka u različitim područjima, napose kvantnom računalstvu.
Skupina znanstvenika, vođena profesoricom Vanessom Huxter sa Sveučilišta u Arizoni, uspjela je po prvi puta dobiti uvid u to kako se energija širi kroz dijamant koji na mjestu dva susjedna atoma ugljika sadrži atom dušika u paru s praznim mjestom (tzv. nitrogen-vacancy center). Dijamanti su alotropska modifikacija ugljika izuzetno visoke tvrdoće, no u prirodi se u njihovoj kristalnoj strukturi često mogu pojaviti i nečistoće u obliku atoma bora i dušika. Te im 'nečistoće' smanjuju tvrdoću, ali rezultiraju zanimljivim i neočekivanim svojstvima koje ih čine potencijalnim pokretačima tehnološkog napretka.
Rezultati istraživanja, koji su objavljeni u časopisu Nature Physics, mogli bi pružiti znanstvenicima dublji uvid u svojstva ovih dijamanata, čiji potencijalni raspon primjene varira od kvantnog računalstva do snimanja individualnih atoma u molekulama.
Kristalne strukture često dolaze s nekom vrstom kristalne deformacije gdje su atomi ugljika zamijenjeni nekim drugim atomima. Jedna od takvih deformacija je i prisutnost dušikova atoma na mjestu atoma ugljika. Kako tvrdi profesorica Huxter, voditeljica istraživačkog projekta: "Neke od ovih deformacija imaju zanimljiva optička i elektronička svojstva". Ona nastavlja kako zbog mogućnosti manipulacije optičkim metodama poput korištenja lasera, deformacije izazvane dušikom mogu biti korištene u području računalstva, pohrane podataka, senzorike te čak i naprednog snimanja strukture molekula.
Da biste koristili taj sustav u spomenutim područjima, morate razumjeti osnovna svojstva tog sustava. Da biste koristili sustav na području kvantnog računalstva, morate razumjeti tzv. vibracijske modove jer oni utječu na zbivanja u svojoj okolini i mogu se koristiti za procesuiranje podataka."
Da bi ovo bilo lakše razumjeli, korisno je zamisliti kristalnu strukturu dijamanta koju čini trodimenzionalna rešetka ugljikovih atoma povezanih u strukturu ponavljajućeg uzorka. Atomi pritom nisu nepomično vezani za jedno mjesto. Naprotiv, oni lagano vibriraju, kao da su povezani malim oprugama. U slučaju da neki atom ugljika bude zamijenjen atomom dušika, mijenjaju se vibracijska svojstva i to tako da je moguće laserom utjecati na ta svojstva.
"Mi koristimo laserske zrake da vidimo što se događa u sustavu. Kada usmjerimo ultrabrze valove svjetlosti na ovu strukturu, to je kao da je udaramo čekićem. Nakon što dovedemo veliku količinu energije u sustav, promatramo što se događa dok se energija širi sustavom."
Naime, laserske zrake mijenjaju energetsko stanje elektrona oko atoma dušika koji tada prelazi u pobuđeno stanje (elektron prelazi u pobuđeno stanje energije kada primi foton). S vremenom, ako nije i dalje pobuđivan, elektron se vraća u početno stanje procesom poznatim kao 'opuštanje', pritom otpuštajući energiju u svoju okolinu. S obzirom na to da se proces opuštanja odvija na razini nanosekundi, bilo je potrebno koristiti ultrabrze valove svjetlosti, što nitko do sada nije uspio postići.
"Ovo je prvi puta da smo bili u stanju promatrati vibracijski spektar sustava u realnom vremenu", rekla je profesorica Huxter. Ovo je bitno jer je za mogućnost iskorištavanja povoljnih svojstava ovakvog sustava od izuzetne važnosti znati kako se točno energija giba kroz sustav i kako utječe na vibracije koje se javljaju u sustavu.
Da bi dobili uvid u to što se događa u sustavu, ekipa predvođena profesoricom Huxter koristila je dvodimenzionalnu elektronsku spektroskopiju, čime su dobili dvodimenzionalnu mapu korelacije koja objašnjava ponašanje sustava kada se vraća iz pobuđenog u osnovno stanje.
"Zamislite to kao da ste ultrabrzom fotografijom zaustavili vrijeme na razini molekula i atoma. Možemo promatrati kako se energija giba kroz sustav u stvarnom vremenu, slikajući pritom njeno gibanje. Možemo vidjeti otkud energija dolazi i kamo ide", rekla je profesorica.
U svijetu ultrabrze spektroskopije, koja svoj začetak ima u ultrabrzom fotografiranju koje je razvio Edward Muybridge početkom 20 stoljeća snimanjem konja u trku, "nanosekunde su poput milijuna godina", rekla je profesorica. Naime, ultrabrzi valovi svjetlosti generirani laserom traju tek nekoliko femtosekundi (milijunti dio nanosekunde). "Zahvaljujući tako finoj rezoluciji, bili smo u stanju promatrati lokalne vibracije u našim pokusima. Ta činjenica dovela je pak do iznenađujućih spoznaja, uključujući i onu da su te vibracije postojane na kvantnoj razini nekoliko tisuća femtosekundi."
"Stoga se sada postavlja pitanje što se događa kada se počnu zamjenjivati atomi u kristalu. Hoće li se time promijeniti i elastična svojstva? Svaki dio kristala u kojem se nalazi dušikov atom manje je tvrdoće od svoje okoline, tako upijajući energiju tamo gdje to prije nije bilo moguće. Time nam je omogućeno vidjeti različite vibracijske modove koje nije moguće vidjeti u ostatku kristala", rekla je Huxter.
Otkriće istraživačke skupine profesorice Huxter upotpunila je skupina znanstvenika sa Sveučililišta Buffalo, koji su se bavili proučavanjem tzv. Jahn-Tellerovog efekta u dijamantima onečišćenima dušikom, čiji je utjecaj u dijamantima dosad bio nepoznat.
Njih je zanimalo kako se mijenja rešetka ovog dijamanta kada se nađe u energetski nestabilnoj konfiguraciji. Kada se elektron u okolini dušika nađe u pobuđenom stanju, on ima dvije orbitalne komponente iste energije, što vodi do inherentno nestabilne konfiguracije. Da bi se sustav vratio u stabilnu konfiguraciju, mijenja se rešetka dijamanta tako da se atomi blizu dušika pomaknu više prema centru. Nova konfiguracija ima niži nivo energije i tako postaje stabilna.
Ova promjena konfiguracije, poznata kao Jahn-Teller efekt, dosad nije bila objašnjena, a od izuzetne je važnosti u primjeni u kvantnom računalstvu, ali i kod ostalih primjena ovih dijamanata.
Kvantna računala temeljena na dušikom onečišćenim dijamantima samo su jedna od realizacija ovog relativno mladog, ali u isto vrijeme vrlo fleksibilnog i obećavajućeg područja kvantnog računalstva. Iz tog je razloga svako ovakvo otkriće važan korak za daljnji razvoj i potencijalnu upotrebu neke tehnologije. No u isto vrijeme, svako novo otkriće nosi sa sobom i neka nova, dotad nepoznata pitanja i probleme pa tek valja vidjeti koje su implikacije ovog otkrića na daljnji razvoj i primjenu ove tehnologije.