Дефекты в кристаллической решетке алмазов способны испускать свечение. Однако на особенности этого свечения сильно влияет температура, а потому использовать его при создании новейших квантовых и оптических приборов сложно. Российские физики установили, какие механизмы лежат в основе соответствующих изменений, и полученные данные очень важны как для фундаментальной науки, так и для прикладных, пока только развивающихся направлений. Подробности исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), ученые из Института физики высоких давлений имени Л. Ф. Верещагина РАН (Москва) совместно с коллегами из Московского физико-технического института опубликовали в статье в журнале Journal of Luminescence.
Идеальная структура кристаллической решетки материалов позволяет меньше думать о возможных отклонениях от фундаментальных законов и получать в некотором роде идеализированные результаты. Но, например, если в алмазе вместо атома углерода будет какой-нибудь другой атом, то этот участок будет поглощать свет с длиной волны, нехарактерной для идеального кристалла. Такие дефекты называют центрами окраски, и подобные особенности тоже важны для исследований.
“Многообразие перспективных технологий, использующих центры окраски, действительно интригует: оптические квантовые сети обработки и передачи информации, квантовые датчики, медицинские светящиеся метки и прочее. Однако недостаток таких материалов состоит в том, что свои уникальные оптические характеристики они демонстрируют только при очень низких температурах. В недавней работе мы попытались пролить свет на физические механизмы, ответственные за наблюдаемые с ростом температуры эффекты в центрах окраски в алмазе”, — рассказал Александр Разгулов, младший научный сотрудник ИФВД РАН, аспирант МФТИ.
Удобнее всего получать “дефектные” алмазы искусственным путем — именно с такими образцами работали ученые: они добавили в решетку кристалла германий. В ходе своих исследований они попытались объяснить, почему при повышении температуры выше гелиевой (-269С) спектры люминесценции центров окраски расширяются (температурное уширение) и сдвигаются в более длинноволновую область (красное смещение).
Объяснение этих эффектов нашлось в том, как при облучении кристалла взаимодействуют друг с другом электроны решетки и колебания ее атомов, которые называют фононами. С одной стороны, именно эти процессы дают вклад в изменения спектра, с другой — влияет и температурное расширение решетки. Также исследователи описали влияние гидростатического (то есть одинакового во всех точках кристалла) давления. Тщательный анализ позволил авторам пересмотреть существующее на сегодняшний день описание наблюдаемых температурных эффектов и установить конкретный физический механизм, ответственный за их проявление.
Крайне важным для исследования было, используя углеводородную ростовую систему, при высоком давлении и температуре создать алмазы наивысшего качества. Сейчас ученые работают над новой методикой контролируемого легирования «органических» нано- и субмикроалмазов в процессе синтеза, добавил руководитель проекта по гранту РНФ Евгений Екимов, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ИФВД РАН. Эта методика даст возможность получать алмазы с единичными центрами окраски. Такие камни, как естественного, так и искусственного происхождения, встречаются крайне редко. Исследователи уверены, что их методика будет полезна при создании алмазов для высокотехнологичных приложений”.