- Investigadores utilizan pulsos láser ultravioleta de nanosegundos para modificar las propiedades ópticas del diamante.
- Los pulsos láser de nanosegundos permiten la ingeniería selectiva de defectos en diamantes.
- Se detectaron nuevas señales de fotoluminiscencia tras la irradiación, lo que muestra cambios en los defectos.
- El estudio aún no ha demostrado un dispositivo cuántico funcional ni la creación repetible de defectos específicos.
En el interior de un diamante, un átomo desplazado o una vacante en la red cristalina puede ser la clave para mejorar la tecnología cuántica. Sin embargo, alterar este tipo de defectos sin perturbar otros, manteniendo al mismo tiempo la utilidad del material, ha sido un desafío importante. Ahora, en un nuevo estudio, investigadores han utilizado pulsos láser ultravioleta de nanosegundos para modificar las propiedades ópticas del diamante, manteniendo prácticamente inalterados sus centros de nitrógeno-vacancia (NV) existentes. Este hallazgo ofrece un método más selectivo para la ingeniería de defectos en diamantes. «Nuestro estudio demuestra que los pulsos láser de nanosegundos pueden lograr la ingeniería selectiva de defectos puntuales en diamantes, con potencial para el control determinista de centros de color en diamantes para aplicaciones cuánticas», declararon los investigadores.
Los diamantes están formados por átomos de carbono dispuestos en una red cristalina. Cuando los átomos se desplazan, faltan o son reemplazados por otros elementos, surgen defectos que confieren al material nuevas propiedades ópticas y electrónicas. Un ejemplo es el centro de nitrógeno-vacancia, que se forma cuando un átomo de nitrógeno sustituye a un átomo de carbono adyacente a una vacante en la red. Los centros NV pueden funcionar como bits cuánticos, o qubits, y servir como sensores de alta sensibilidad para campos magnéticos y eléctricos. Sin embargo, modificar un tipo de defecto también puede afectar a otros defectos cercanos, lo que dificulta la personalización de diamantes para aplicaciones específicas.
Metodología de investigación y diseño experimental
Para investigar si la luz podía ofrecer un mayor control, los investigadores irradiaron un diamante monocristalino cultivado mediante la técnica de deposición química de vapor (CVD).
Utilizaron pulsos láser ultravioleta de 266 nanómetros, con una duración de seis nanosegundos por pulso, para irradiar una zona localizada del cristal. La densidad de energía del láser —la energía suministrada por unidad de área— osciló entre 2.2 y 8.6 julios por centímetro cuadrado. Antes de la irradiación, el equipo caracterizó el diamante mediante espectroscopía de fotoluminiscencia confocal, espectroscopía de absorción ultravioleta-visible y espectroscopía infrarroja de transformada de Fourier. Estas técnicas ayudaron a determinar los defectos ópticos iniciales del cristal, su transparencia y su contenido de impurezas. El material inicial apenas contenía nitrógeno sustitucional, es decir, átomos de nitrógeno que sustituyen a átomos de carbono en la red.
Establecer esta línea de base era crucial: sin ella, los investigadores no habrían podido distinguir con confianza entre los defectos asociados al tratamiento láser y los ya presentes en el diamante.
Observación de señales de fotoluminiscencia
Tras la irradiación, los investigadores detectaron en la zona expuesta una señal de fotoluminiscencia a 563 nanómetros que no existía previamente. Una segunda señal de emisión apareció cerca de los 579 nanómetros. Estudios previos ya habían asociado estas emisiones con defectos de autointersticiales de carbono, es decir, átomos de carbono que ocupan posiciones distintas a su sitio normal en la red. Sin embargo, la observación más importante es lo que no cambió. Los centros NV ya presentes en el diamante mantuvieron su señal óptica prácticamente inalterada tras el tratamiento láser, en comparación con las zonas no tratadas. «Demostramos que estos pulsos láser de nanosegundos pueden diseñar selectivamente el centro de 563 nanómetros, es decir, el defecto asociado a autointersticiales, sin afectar a los centros de nitrógeno-vacancia (NV) de fondo», afirmaron los autores del estudio.
Esto indica que el láser puede modificar una parte del conjunto de defectos bajo las condiciones probadas, sin perturbar significativamente a la otra.
Esta distinción es crucial, ya que los centros de 563 y 579 nanómetros no se han establecido como qubits recién demostrados. Por el contrario, el experimento señala una posible vía para diseñar defectos específicos preservando al mismo tiempo los centros existentes asociados a los sensores cuánticos de diamante. Los investigadores también descubrieron que la señal de emisión a 563 nanómetros no aumenta indefinidamente con la irradiación continua. Su señal puede disminuir tras alcanzar un máximo, lo que sugiere que la irradiación puede generar y transformar simultáneamente configuraciones de defectos. La intensidad de la emisión mostró una relación casi lineal con la densidad de energía del láser, con un exponente de ley de potencia medido de 1.10 ± 0.16.
Esto es consistente con un proceso de excitación de un solo fotón, y no con uno que requiera la acción conjunta de múltiples fotones.
Mecanismos atómicos sin resolver
Los mecanismos atómicos específicos que ocurren en el interior del diamante permanecen sin resolver. Los investigadores proponen que los fotones ultravioleta podrían excitar estados electrónicos asociados a defectos, y la posterior transferencia de energía podría desencadenar la reorganización de átomos de carbono cercanos. Procesos que involucran portadores de carga atrapados o excitones también podrían desempeñar un papel, pero el experimento no estableció la ruta completa ni identificó la estructura atómica precisa responsable de las dos emisiones. El control de las propiedades ópticas del diamante que se reivindica en el estudio podría beneficiar eventualmente a la detección cuántica y a otros dispositivos que dependen de defectos cuidadosamente seleccionados. Sin embargo, el estudio aún no ha demostrado un dispositivo cuántico funcional ni ha probado que se puedan crear defectos específicos a demanda de forma totalmente reproducible.
El siguiente paso es determinar exactamente cómo se transforman los defectos y cómo controlar estos cambios de manera consistente ajustando las condiciones del láser. Si los investigadores pueden vincular los parámetros de irradiación con cambios atómicos predecibles, eventualmente podrían diseñar diamantes con conjuntos de defectos a medida, en lugar de tratar sus defectos como una mezcla inseparable. El estudio se publicó en la revista Diamond and Related Materials.
Elemento Especificación Longitud de onda del láser 266 nanómetros Duración del pulso 6 nanosegundos Rango de densidad de energía 2.2 a 8.6 julios por centímetro cuadrado
Impacto potencial del láser ultravioleta en la tecnología cuántica
La investigación muestra que el uso de láser ultravioleta permite alterar selectivamente defectos específicos sin perturbar otros defectos importantes en el diamante, lo cual es crucial para el desarrollo de la tecnología cuántica. Los centros de nitrógeno-vacancia (NV) en el diamante desempeñan un papel importante en la computación cuántica y los sensores, por lo que la capacidad de controlar con precisión estos defectos contribuirá a mejorar el rendimiento de los dispositivos cuánticos. Aunque aún no se ha logrado un dispositivo cuántico funcional, este estudio ofrece nuevas ideas y posibilidades para futuras aplicaciones cuánticas, especialmente en el diseño de diamantes con defectos específicos.