Нове наукове дослідження виявило таємницю отримання алмазів за умов низьких температур.

Науковці працюють над поліпшенням методів вирощування лабораторних алмазів, які застосовуються в мікроелектроніці та квантових технологіях. Вони знижують температурні режими виробництва, мінімізують утворення сажі та оптимізують обробку поверхонь, щоб зберегти їхні унікальні квантові характеристики.

Коли зелений лазерний промінь направляється на специфічний тип алмазу, що містить атомні дефекти, він може викликати червону флуоресценцію. Цей процес ілюструє фотографія квантового зразка алмазу, на який впливає світло лазера, при цьому на одну з половин зразка накладено червоний світлофільтр для виявлення червоної флуоресценції. Зображення зроблено Майклом Лівінгстоном з відділу комунікацій PPPL.

Вирощування алмазів: більше ніж прикраса

Науковці вже давно вивчають можливості вирощування алмазів у лабораторіях, зосереджуючись на їхніх фізичних властивостях, таких як висока теплопровідність, здатність витримувати екстремальні електричні напруги та надзвичайна міцність. Ці якості роблять алмази ідеальними для використання у високотехнологічних галузях -- від комп'ютерної оптики до квантових датчиків. Однак традиційні методи виробництва алмазів при високих температурах обмежують їх застосування в кремнієвій мікроелектроніці, яка вимагає більш щадних умов.

Вивчення,

Дослідження, проведене в Прінстонській лабораторії фізики плазми (PPPL) за фінансової підтримки Міністерства енергетики США, зробило важливий крок у зниженні температури вирощування алмазів за допомогою плазмового хімічного осадження з парової фази. Основною перешкодою цього методу є утворення сажі, що виникає внаслідок взаємодії вуглецевих газів, таких як ацетилен, що негативно впливає на якість отриманих алмазів. Виявлення "критичної температури", при якій ацетилен сприяє росту алмазів, а не сажі, стало справжнім проривом у вдосконаленні технології.

Макрозображення одного з квантових алмазних реакторів у лабораторії Quantum Diamond Lab PPPL. Світло, що випромінюється всередині апарата, є результатом плазмових процесів, які застосовуються для створення квантового алмазу через метод, відомий як хімічне осадження з газової фази. Фото: Майкл Лівінгстон / комунікаційний відділ PPPL.

Прецизійне управління хімічними реакціями.

Подібно до води, яка перетворюється на лід за специфічних умов, ацетилен виступає каталізатором у процесі формування алмазів лише при температурах, що перевищують певну межу. Ця критична температура варіюється в залежності від концентрації атомарного водню, який виконує дві ключові ролі: розщеплює молекули метану на ацетилен і транспортує атоми до поверхні, де відбувається ріст алмазу. Дослідження показали, що підвищення концентрації водню дозволяє вирощувати алмази при нижчих температурах, зберігаючи їхню високу якість.

Квантові діаманти: переворот у світі матеріалів

Для деяких високотехнологічних застосувань алмази з унікальними квантовими властивостями, такими як центри азотних вакансій (NV), є критично важливими. Такі алмази створюються шляхом заміни окремих атомів вуглецю азотом у кристалічній решітці. NV-центри дозволяють створювати квантові біти (кубіти), які можуть одночасно зберігати більше інформації, ніж звичайні біти, і виступати надчутливими датчиками для вимірювання магнітних полів, температур або тиску.

Проте підготовка алмазної поверхні для збереження цих квантових характеристик є вкрай складним процесом.

Поверхня алмазу потребує покриття єдиним шаром атомів водню, який забезпечує провідність і слугує основою для подальших хімічних модифікацій. Проте нагрівання, необхідне для цього процесу, може пошкодити NV-центри, що знижує їхню ефективність у квантових застосуваннях.

Ця квантова модель алмазу ілюструє атоми вуглецю, що зображені чорним кольором. Фіолетова сфера символізує атоми азоту, а синя сфера представляє порожні позиції в кристалічній решітці. Взаємодія між азотом і вільними просторами формує центр азотних вакансій (NV), який має застосування в квантових технологіях. Зображення: Майкл Лівінгстон / комунікаційний відділ PPPL.

Інноваційні стратегії для охорони алмазів

Дослідники з PPPL, Прінстонського університету та Мельбурнського королівського технологічного інституту вивчили нові підходи до гідрогенізації, що дозволяють зберігати NV-центри. Серед вивчених методів:

Формуючий газовий відпал, що застосовує комбінацію водню та азоту замість чистої водневої плазми, є інноваційним методом. Цей підхід забезпечує гідрогенізацію без ризику пошкодження алмазної структури, проте вимагає уважного моніторингу температурних режимів і виключення кисню з процесу.

Завершення процесу за допомогою холодної плазми, що не викликає підвищення температури,

проте забезпечує менш якісний водневий шар.

Обидва підходи успішно створили водневі покриття, але мають свої обмеження. Використання фотолюмінесцентної спектроскопії дозволило оцінити вплив методів на збереження флуоресценції NV-центрів. Традиційний метод із нагріванням виявився найбільш руйнівним, тоді як нові підходи дозволили зберегти квантові властивості алмазу.

Маршрут до широкомасштабного виготовлення квантових алмазів.

Головним викликом у процесі комерційного використання квантових алмазів є розробка "рецептів", які зможуть гарантувати стабільне та економічно вигідне виробництво. Як підкреслив Деніел Макклоскі, ведучий автор дослідження, над створенням таких керівництв працює міжнародна команда, що об'єднує знання в галузях плазмової фізики, квантової механіки та матеріалознавства.

Діяльність PPPL та його партнерів орієнтована на удосконалення технологій обробки алмазів для різноманітних цілей:

Квантові обчислення: кубіти на основі NV-центрів мають потенціал стати революційним кроком у підвищенні швидкості та ефективності обчислень.

Сучасні датчики: алмази з квантовими дефектами забезпечують можливість здійснення надточних вимірювань магнітних полів та температури в біологічних і промислових середовищах.

Безпечна комунікація: алмази мають потенціал стати фундаментом для квантових систем передачі інформації, що не підлягають злому.

Незважаючи на досягнуті результати, залишаються питання, які потребують додаткового вивчення. Наприклад, видалення кисню з реакційного середовища та розробка інноваційних методів гідрогенізації є важливими завданнями для оптимізації виробничих процесів. У майбутньому також планується розширити дослідження на модифікацію алмазних поверхонь іншими елементами, що може відкрити нові можливості та застосування.

Лабораторні алмази з квантовими характеристиками вважаються однією з найбільш перспективних технологій для майбутнього в галузі квантових обчислень, сенсорів та комунікацій. Інноваційні підходи до вирощування алмазів при знижених температурах, захисту NV-центрів і обробці їх поверхні поступово перетворюють ці матеріали з наукового експерименту на комерційно придатний продукт. Завдяки дослідженням, проведеним в PPPL, квантові алмази стають все ближчими до широкого впровадження, що може кардинально змінити основи сучасних технологій.