นักวิจัยใช้เลเซอร์อัลตราไวโอเลตเพื่อเปลี่ยนแปลงข้อบกพร่องในเพชรอย่างเฉพาะเจาะจงเพื่อส่งเสริมการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีควอนตัม

ในเพชร อะตอมที่ผิดตำแหน่งหรือช่องว่างในโครงสร้างผลึกอาจเป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงเทคโนโลยีควอนตัม อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงข้อบกพร่องดังกล่าวโดยไม่รบกวนข้อบกพร่องอื่น ๆ พร้อมทั้งรักษาความใช้งานได้ของวัสดุนั้นเป็นความท้าทายที่สำคัญมาตลอด ตอนนี้ ในงานวิจัยใหม่นี้ นักวิจัยได้ใช้พัลส์เลเซอร์อัลตราไวโอเลตระดับนาโนวินาทีเพื่อปรับเปลี่ยนคุณสมบัติทางแสงของเพชร พร้อมทั้งรักษาศูนย์กลางช่องว่างไนโตรเจน (NV) เดิมไว้โดยไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ การค้นพบนี้ให้วิธีการที่เลือกสรรได้มากขึ้นในการออกแบบข้อบกพร่องในเพชร “การวิจัยของเราพิสูจน์ว่าพัลส์เลเซอร์ระดับนาโนวินาทีสามารถทำให้เกิดการออกแบบข้อบกพร่องจุดในเพชรอย่างเฉพาะเจาะจง ซึ่งมีศักยภาพในการควบคุมอย่างแน่นอนของศูนย์กลางสีในเพชรสำหรับการใช้งานควอนตัม” นักวิจัยกล่าว

เพชรประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนที่จัดเรียงเป็นโครงสร้างผลึก เมื่ออะตอมถูกเคลื่อนที่ หายไป หรือถูกแทนที่ด้วยธาตุอื่น จะเกิดข้อบกพร่องขึ้น ซึ่งทำให้วัสดุมีคุณสมบัติทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์ใหม่ ๆ ตัวอย่างหนึ่งคือศูนย์กลางช่องว่างไนโตรเจน ซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออะตอมไนโตรเจนแทนที่อะตอมคาร์บอนที่อยู่ติดกับช่องว่างในโครงสร้างผลึก ศูนย์กลาง NV สามารถทำหน้าที่เป็นควอนตัมบิต หรือที่เรียกว่าคิวบิต และสามารถใช้เป็นเซ็นเซอร์ที่มีความไวสูงต่อสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าได้ อย่างไรก็ตาม การปรับเปลี่ยนข้อบกพร่องประเภทหนึ่งอาจส่งผลต่อข้อบกพร่องอื่น ๆ ที่อยู่ใกล้เคียง ซึ่งทำให้การปรับแต่งเพชรให้เหมาะกับการใช้งานเฉพาะเจาะจงเป็นเรื่องยาก

วิธีการวิจัยและการออกแบบการทดลอง

เพื่อศึกษาว่าแสงสามารถให้การควบคุมที่ดีขึ้นได้หรือไม่ นักวิจัยได้ฉายรังสีบนเพชรเดี่ยวที่ปลูกโดยใช้เทคนิคการสะสมจากสถานะไอระเหยทางเคมี (CVD)

พวกเขาใช้พัลส์เลเซอร์อัลตราไวโอเลตความยาวคลื่น 266 นาโนเมตร โดยแต่ละพัลส์มีระยะเวลา 6 นาโนวินาที ฉายไปยังบริเวณเฉพาะของผลึก ความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์ ซึ่งหมายถึงพลังงานที่ส่งต่อต่อหน่วยพื้นที่ มีช่วงตั้งแต่ 2.2 ถึง 8.6 จูลต่อตารางเซนติเมตร ก่อนการฉายรังสี ทีมงานได้ทำการวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะของเพชรโดยใช้สเปกโทรสโกปีฟลูออเรสเซนซ์แบบโฟกัสคอนโฟกัล สเปกโทรสโกปีการดูดกลืนแสงอัลตราไวโอเลต-ที่มองเห็นได้ และสเปกโทรสโกปีอินฟราเรดแบบฟูริเยร์ เทคนิคเหล่านี้ช่วยกำหนดข้อบกพร่องทางแสงเริ่มต้น ความโปร่งใส และปริมาณสิ่งเจือปนในผลึก วัสดุเริ่มต้นมีปริมาณไนโตรเจนที่แทนที่คาร์บอนในโครงสร้างผลึกน้อยมาก ซึ่งหมายถึงจำนวนอะตอมไนโตรเจนที่เข้าไปแทนที่คาร์บอนในโครงสร้างผลึกนั้นน้อย

การกำหนดค่าพื้นฐานนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากหากไม่มีมัน นักวิจัยจะไม่สามารถแยกแยะได้อย่างมั่นใจว่าข้อบกพร่องใดที่เกี่ยวข้องกับการรักษาด้วยเลเซอร์ และข้อบกพร่องใดที่มีอยู่แล้วในเพชร

การสังเกตสัญญาณฟอโตลูมิเนสเซนซ์

หลังจากการฉายรังสี นักวิจัยตรวจพบสัญญาณฟอโตลูมิเนสเซนซ์ใหม่ที่ความยาวคลื่น 563 นาโนเมตรในบริเวณที่ได้รับการฉายรังสี สัญญาณการปล่อยแสงที่สองปรากฏขึ้นใกล้กับความยาวคลื่น 579 นาโนเมตร งานวิจัยก่อนหน้านี้ได้เชื่อมโยงการปล่อยแสงเหล่านี้กับข้อบกพร่องแบบคาร์บอนแทรกที่อยู่ระหว่างช่องว่าง ซึ่งหมายถึงอะตอมคาร์บอนที่อยู่ในตำแหน่งที่ไม่ใช่ตำแหน่งปกติในโครงสร้างผลึก อย่างไรก็ตาม การสังเกตที่สำคัญยิ่งกว่าคือส่วนที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลง ศูนย์กลาง NV ที่มีอยู่เดิมในเพชร มีสัญญาณทางแสงที่หลังจากการรักษาด้วยเลเซอร์แล้วยังคงใกล้เคียงกับพื้นที่ที่ไม่ได้รับการรักษา “เราแสดงให้เห็นว่าพัลส์เลเซอร์ระดับนาโนวินาทีเหล่านี้สามารถออกแบบศูนย์กลาง 563 นาโนเมตรได้อย่างเฉพาะเจาะจง ซึ่งเกี่ยวข้องกับข้อบกพร่องแบบคาร์บอนแทรกที่อยู่ระหว่างช่องว่าง โดยไม่กระทบต่อศูนย์กลางช่องว่างไนโตรเจน (NV) ของพื้นหลัง” ผู้เขียนการวิจัยกล่าว

สิ่งนี้บ่งชี้ว่าเลเซอร์สามารถปรับเปลี่ยนส่วนหนึ่งของกลุ่มข้อบกพร่องภายใต้เงื่อนไขที่ทดสอบได้ โดยไม่ก่อให้เกิดการรบกวนอย่างมีนัยสำคัญต่ออีกส่วนหนึ่ง

ความแตกต่างนี้มีความสำคัญเนื่องจากศูนย์กลางที่ความยาวคลื่น 563 นาโนเมตรและ 579 นาโนเมตรยังไม่ได้รับการยอมรับว่าเป็นคิวบิตที่แสดงในการสาธิตล่าสุด ตรงกันข้าม การทดลองนี้ชี้ให้เห็นถึงวิธีการที่เป็นไปได้ในการออกแบบข้อบกพร่องเฉพาะเจาะจง ในขณะที่ยังคงรักษาศูนย์กลางที่มีอยู่เดิมซึ่งเกี่ยวข้องกับเซ็นเซอร์ควอนตัมของเพชรไว้ นักวิจัยยังพบว่าสัญญาณการปล่อยแสงที่ความยาวคลื่น 563 นาโนเมตรไม่เพิ่มขึ้นอย่างไม่มีขีดจำกัดเมื่อมีการฉายรังสีต่อเนื่อง สัญญาณอาจลดลงหลังจากถึงค่าสูงสุด ซึ่งบ่งชี้ว่าการฉายรังสีสามารถสร้างและเปลี่ยนแปลงการจัดเรียงของข้อบกพร่องได้พร้อมกัน ความเข้มของการปล่อยแสงแสดงความสัมพันธ์เชิงเส้นเกือบตรงกับความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์ โดยได้ค่าเลขชี้กำลังของกฎกำลังที่วัดได้เท่ากับ 1.10 ± 0.16

สิ่งนี้สอดคล้องกับกระบวนการกระตุ้นโดยโฟตอนเดียว ไม่ใช่กระบวนการที่ต้องการโฟตอนหลายตัวทำงานพร้อมกัน

กลไกระดับอะตอมที่ยังไม่ได้รับการแก้ไข

กลไกระดับอะตอมที่เฉพาะเจาะจงซึ่งเกิดขึ้นภายในเพชรยังไม่ได้รับการแก้ไข นักวิจัยเสนอว่าฟอตอนอัลตราไวโอเลตอาจกระตุ้นสถานะอิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวข้องกับข้อบกพร่อง ตามด้วยการถ่ายโอนพลังงานที่อาจกระตุ้นการจัดเรียงใหม่ของอะตอมคาร์บอนที่อยู่ใกล้เคียง กระบวนการที่เกี่ยวข้องกับประจุไฟฟ้าที่ถูกจับหรือเอ็กซิโทนก็อาจมีบทบาทเช่นกัน แต่การทดลองไม่ได้พิสูจน์เส้นทางทั้งหมดหรือระบุโครงสร้างอะตอมที่แน่นอนที่รับผิดชอบต่อการปล่อยแสงทั้งสองแบบ การควบคุมคุณสมบัติทางแสงของเพชรที่อ้างถึงในงานวิจัยนี้อาจส่งผลดีต่อการตรวจจับควอนตัมและอุปกรณ์อื่น ๆ ที่พึ่งพาการเลือกข้อบกพร่องอย่างระมัดระวัง อย่างไรก็ตาม งานวิจัยนี้ยังไม่ได้แสดงให้เห็นถึงอุปกรณ์ควอนตัมที่ทำงานได้จริง หรือพิสูจน์ว่าสามารถสร้างข้อบกพร่องเฉพาะเจาะจงขึ้นมาได้อย่างสมบูรณ์และสามารถทำซ้ำได้เมื่อต้องการ

ขั้นตอนต่อไปคือการกำหนดว่าข้อบกพร่องเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรอย่างแท้จริง และวิธีการควบคุมการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้อย่างสม่ำเสมอโดยการปรับเงื่อนไขของเลเซอร์ หากนักวิจัยสามารถเชื่อมโยงพารามิเตอร์การฉายรังสีกับการเปลี่ยนแปลงของอะตอมที่คาดการณ์ได้ พวกเขาอาจสามารถออกแบบเพชรที่มีกลุ่มข้อบกพร่องที่ปรับแต่งได้ในที่สุด แทนที่จะมองว่าข้อบกพร่องเป็นส่วนผสมที่ไม่สามารถแยกออกจากกันได้ งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Diamond and Related Materials