Diamenty z centrami barwnymi azot-wakancja (NV)

Centrami barwnymi nazywamy defekty w sieci krystalicznej zdolne do absorpcji i emisji światła. Interesujące nas centrum azot-wakancja NV składa się z atomu azotu i wakancji na dwóch  sąsiednich miejscach w strukturze diamentu (Rys.1.). W naszych badaniach używamy diamentów z koncentracją centrów na poziomie ~10 ppm. Centra te wzbudzamy za pomocą światła laserowego o długości fali 532 nm i obserwujemy ich fluorescencję w zakresie 600 – 800 nm. Do wzbudzenia i detekcji stosowana jest technika mikroskopii konfokalnej, dzięki czemu uzyskujemy doskonałą przestrzenną zdolność rozdzielczą.  

Rys.1 Przestrzenna struktura centrum barwnego N-V (azot-wakancja): czarne i szare to atomy węgla, pomarańczowy atom azotu i biała wakancja. (ilustracja z: http://mizuochilab.kuicr.kyoto-u.ac.jp/image/NV9.png)

Stany elektronowe centrum NV tak podstawowy jak i wzbudzony są trypletami (S=1). Niezerowa wartość spinu centrum NV- umożliwia wytworzenie polaryzacji spinowej. Polaryzacja taka powstaje poprzez oświetlenie centrum światłem a jej odczyt poprzez rejestrację zmian natężenia  fluorescencji. Zmiany polaryzacji można dodatkowo kontrolować za pomocą mikrofal (o częstotliwości około 2,88 GHz w zerowym polu magnetycznym, Rys.2.) i technik rezonansu magnetycznego.  

 

Rys. 2 Rezonansowa zmiana natężenia światła emitowanego przez diament z centrami barwnymi wzbudzany laserem o dł. fali 532 nm w zerowym polu magnetycznym w funkcji częstości mikrofal. 

Właściwości centrów pozwalają na traktowanie ich jak sztucznych atomów w matrycy ciała stałego. Ze względu na słabe oddziaływanie z siecią krystaliczną diamentu centra barwne NV są idealnym ośrodkiem do przeprowadzania doświadczeń z zakresu fizyki atomowej, magnetometrii a także informacji kwantowej. Ponieważ silnie fluoryzują, znajdują coraz szersze zastosowanie do obrazowania i badania właściwości fizycznych (w tym magnetycznych) rozmaitych obiektów w skali nano. Ponadto, ponieważ diament – czyli węgiel jest materiałem naturalnie wchodzącym w skład tkanek, centra te są nietoksyczne a przez to bardzo atrakcyjne dla biologicznych badań in vivo.