- 研究人员利用纳秒级紫外激光脉冲修改钻石的光学特性。
- 纳秒激光脉冲能实现对钻石缺陷的选择性工程。
- 照射后检测到新的光致发光信号，显示缺陷变化。
- 研究尚未展示可运行的量子器件或特定缺陷的可重复创建。
在钻石内部，一个错位的原子或晶格中的空位可能是改善量子技术的关键。然而，在不扰动其他缺陷的情况下改变此类缺陷，同时保持材料的实用性，一直是一个重大挑战。现在，在一项新的研究中，研究人员利用纳秒级紫外激光脉冲，修改了钻石的光学特性，同时基本保持其现有的氮空位（NV）中心不变。这一发现提供了一种更具选择性的工程钻石缺陷的方法。“我们的研究证明，纳秒激光脉冲能够实现对钻石点缺陷的选择性工程，对于量子应用中钻石颜色中心的确定性控制具有潜力，”研究人员表示。
钻石由碳原子以晶格形式排列而成。当原子因位移、缺失或被其他元素替代时，会产生缺陷，进而赋予材料新的光学和电子特性。其中一个例子是氮空位中心，当氮原子替代相邻晶格中一个空位的碳原子时，便会形成 NV 中心。NV 中心可作为量子比特，或称 qubit，并可用作磁场和电场的高灵敏度传感器。然而，修改一类缺陷也可能影响附近的其他缺陷，这使得为特定应用定制钻石变得困难。
研究方法与实验设计
为了研究光是否能提供更大的控制，研究人员对一个使用化学气相沉积（CVD）技术生长的单晶钻石进行了照射。
他们使用 266 纳米的紫外激光脉冲，每脉冲持续六纳秒，对晶体的局部区域进行照射。激光的能量密度——每单位面积输送的能量——范围从 2.2 到 8.6 焦耳每平方厘米。在照射之前，团队使用共焦光致发光光谱学、紫外-可见吸收光谱学和傅里叶变换红外光谱学对钻石进行了表征。这些技术帮助确定了晶体的初始光学缺陷、透明度和杂质含量。起始材料中几乎没有取代氮，这代表氮原子在晶格中取代碳原子。
建立这一基准至关重要：没有它，研究人员无法自信地区分与激光处理相关的缺陷和钻石中已存在的缺陷。
光致发光信号的观察
照射后，研究人员在暴露区域检测到了先前不存在的 563 纳米的光致发光信号。第二个发射信号出现在 579 纳米附近。先前的研究已将这些发射与碳自间隙缺陷相关联，即碳原子占据了其在晶格中正常位置以外的位点。然而，更重要的观察是未发生变化的部分。钻石中已存在的 NV 中心，其光学信号在激光处理后与未处理区域相比几乎保持不变。“我们表明，这些纳秒激光脉冲能够选择性地工程 563 纳米中心，即与自间隙相关的缺陷，而不影响背景的氮空位（NV）中心，”研究作者表示。
这表明激光能够在所测试的条件下修改缺陷群体的一部分，而不会显著扰动另一部分。
这一区别至关重要，因为 563 纳米和 579 纳米的中心尚未被确立为新近演示的 qubit。相反，这项实验指出了一种可能的方式，能够在保留与钻石量子传感器相关的现有中心的同时，工程特定的缺陷。研究人员还发现，563 纳米的发射信号并不会随着持续照射而无限制增加。其信号在达到最大值后可能会减少，这表明照射可以同时产生和转变缺陷配置。发射的强度显示出与激光能量密度之间的近线性关系，测得的幂律指数为 1.10 ± 0.16。
这与单光子激发过程一致，而非需要多光子共同作用的过程。
未解决的原子层机制
钻石内部发生的具体原子层机制尚未解决。研究人员提出，紫外光子可能会激发与缺陷相关的电子态，随后的能量转移可能触发附近碳原子的重排。涉及被捕获电荷载流子或激子的过程也可能发挥作用，但实验并未确立完整的路径或识别负责两种发射的精确原子结构。研究中声称的对钻石光学特性的控制最终可能有利于量子传感和其他依赖于精心选择缺陷的器件。然而，该研究尚未展示一个可运行的量子器件或证明可以完全可重复地按需创建特定缺陷。
下一步是确定缺陷究竟如何转变，以及如何通过调整激光条件一致地控制这些变化。如果研究人员可以将照射参数与可预测的原子变化联系起来，最终可能能够设计出具有量身定制缺陷群体的钻石，而不是将其缺陷视为不可分割的混合物。该研究发表于《钻石与相关材料》期刊。
项目 规格 激光波长 266 纳米 脉冲持续时间 6 纳秒 能量密度范围 2.2 至 8.6 焦耳每平方厘米
紫外激光对量子技术的潜在影响
研究显示，利用紫外激光可以在不扰动钻石中其他重要缺陷的情况下，选择性地改变特定缺陷，这对量子技术的发展至关重要。钻石的氮空位中心（NV 中心）在量子计算和传感器中扮演重要角色，因此能够精确控制这些缺陷将有助于提升量子器件的性能。尽管目前尚未实现可运行的量子器件，但这项研究为未来的量子应用提供了新的思路和可能性，尤其是在设计具有特定缺陷的钻石方面。