- 研究人員利用納秒級紫外鐳射脈衝修改鑽石的光學特性。
- 納秒鐳射脈衝能實現對鑽石缺陷的選擇性工程。
- 照射後檢測到新的光致發光信號，顯示缺陷變化。
- 研究尚未展示可運作的量子裝置或特定缺陷的重複創建。
在鑽石內部，一個錯位的原子或晶格中的空位可能是改善量子技術的關鍵。然而，在不擾動其他缺陷的情況下改變這類缺陷，同時保持材料的實用性，一直是一個重大挑戰。現在，在一項新的研究中，研究人員利用納秒級紫外鐳射脈衝，修改了鑽石的光學特性，同時基本保持其現有的氮空位（NV）中心不變。這一發現提供了一種更具選擇性的工程鑽石缺陷的方法。“我們的研究證明，納秒鐳射脈衝能夠實現對鑽石點缺陷的選擇性工程，對於量子應用中鑽石顏色中心的確定性控制具有潛力，”研究人員表示。
鑽石由碳原子以晶格形式排列而成。當原子因位移、缺失或被其他元素替代時，會產生缺陷，進而賦予材料新的光學和電子特性。其中一個例子是氮空位中心，當氮原子替代鄰近晶格中一個空位的碳原子時，便會形成 NV 中心。NV 中心可作為量子位元，或稱 qubit，並可用作磁場和電場的高度敏感傳感器。然而，修改一種類型的缺陷也可能影響附近的其他缺陷，這使得為特定應用定製鑽石變得困難。
研究方法與實驗設計
為了研究光是否能提供更大的控制，研究人員對一個使用化學氣相沉積（CVD）技術生長的單晶鑽石進行了照射。
他們使用 266 納米的紫外鐳射脈衝，每脈衝持續六納秒，對晶體的局部區域進行照射。鐳射的能量密度——每單位面積輸送的能量——範圍從 2.2 到 8.6 焦耳每平方釐米。在照射之前，團隊使用共焦光致發光光譜學、紫外-可見吸收光譜學和傅立葉變換紅外光譜學對鑽石進行了特徵化。這些技術幫助確定了晶體的初始光學缺陷、透明度和雜質含量。起始材料中幾乎沒有取代氮，這代表氮原子在晶格中取代碳原子。
建立這一基準至關重要：沒有它，研究人員無法自信地區分與鐳射處理相關的缺陷和鑽石中已存在的缺陷。
光致發光信號的觀察
照射後，研究人員在暴露區域檢測到了先前不存在的 563 納米的光致發光信號。第二個發射信號出現在 579 納米附近。先前的研究已將這些發射與碳自間隙缺陷相關聯，即碳原子佔據了其在晶格中正常位置以外的位點。然而，更重要的觀察是未發生變化的部分。鑽石中已存在的 NV 中心，其光學信號在鐳射處理後與未處理區域相比幾乎保持不變。“我們表明，這些納秒鐳射脈衝能夠選擇性地工程 563 納米中心，即與自間隙相關的缺陷，而不影響背景的氮空位（NV）中心，”研究作者表示。
這表明鐳射能夠在所測試的條件下修改缺陷羣體的一部分，而不會顯著擾動另一部分。
這一區別至關重要，因為 563 納米和 579 納米的中心尚未被確立為新近演示的 qubit。相反，這項實驗指出了一種可能的方式，能夠在保留與鑽石量子傳感器相關的現有中心的同時，工程特定的缺陷。研究人員還發現，563 納米的發射信號並不會隨著持續照射而無限制增加。其信號在達到最大值後可能會減少，這表明照射可以同時產生和轉變缺陷配置。發射的強度顯示出與鐳射能量密度之間的近線性關係，測得的功率律指數為 1.10 ± 0.16。
這與單光子激發過程一致，而非需要多光子一起作用的過程。
未解決的原子層機制
鑽石內部發生的具體原子層機制尚未解決。研究人員提出，紫外光子可能會激發與缺陷相關的電子狀態，隨後的能量轉移可能觸發附近碳原子的重排。涉及被捕獲電荷載流子或激子（excitons）的過程也可能發揮作用，但實驗並未確立完整的途徑或識別負責兩種發射的精確原子結構。研究中聲稱的對鑽石光學特性的控制最終可能有利於量子傳感和其他依賴於精心選擇缺陷的裝置。然而，該研究尚未展示一個可運作的量子裝置或證明可以完全可重複地按需創建特定缺陷。
下一步是確定缺陷究竟如何轉變，以及如何通過調整鐳射條件一致地控制這些變化。如果研究人員可以將照射參數與可預測的原子變化聯繫起來，最終可能能夠設計出具有量身定製缺陷羣體的鑽石，而不是將其缺陷視為不可分割的混合物。該研究發表於《鑽石與相關材料》期刊。
項目 規格 鐳射波長 266 納米 脈衝持續時間 6 納秒 能量密度範圍 2.2 至 8.6 焦耳每平方釐米
紫外鐳射對量子技術的潛在影響
研究顯示，利用紫外鐳射可以在不擾動鑽石中其他重要缺陷的情況下，選擇性地改變特定缺陷，這對量子技術的發展至關重要。鑽石的氮空位中心（NV 中心）在量子計算和傳感器中扮演重要角色，因此能夠精確控制這些缺陷將有助於提升量子裝置的性能。儘管目前尚未實現可運作的量子裝置，但這項研究為未來的量子應用提供了新的思路和可能性，尤其是在設計具有特定缺陷的鑽石方面。