Специалисты из Гарварда создали из алмаза самый маленький радиоприемник в мире

Исследователи из SEAS (Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences) создали самый маленький радиоприемник в мире из розовых алмазов. Точнее, роль приемника играют не сами алмазы, а микроскопически малые дефекты в кристаллической решетке размером с несколько атомов. Само крохотное радио сформировано из блоков, размер которых составляет два атома. Работать такой приемник может в самых неблагоприятных условиях, когда любое электронное устройство попросту выйдет из строя. Это может быть поверхность Венеры, жерло вулкана. Аналогичную систему можно использовать и в медицине — например, использовать подобный модуль в качестве кардиостимулятора.

Руководителем группы разработчиков стал Марко Лончар (Marko Lončar). Он вместе со своим аспирантом Линбо Шао (Linbo Shao) подал идею использовать точечные дефекты алмазов, которые известны, как азото-замещенная вакансия в алмазе. Сам дефект представляет собой нарушение строения кристаллической решетки алмаза, которое возникает при удалении атома углерода из узла решетки и связывании образовавшейся вакансии с атомом азота.

Уникальность этого дефекта состоит в том, что его свойства практически аналогичны свойствам атома, будь тот «заморожен» в кристаллической решётке алмаза: электронные спины индивидуального центра легко манипулируются: светом; магнитным, электрическим и микроволновыми полями; — что позволяет записывать квантовую информацию (кубиты) на спине ядра центра. Такая манипуляция возможна даже при комнатной температуре; центр имеет продолжительное (достигающее нескольких миллисекунд) время хранения наведённой спиновой поляризации… В настоящее время — NV-центр может рассматриваться как базовый логический элемент будущего квантового процессора, необходимого для создания квантового компьютера, линий связи с квантовым протоколом безопасности и других применений спинтроники.

Для того, чтобы создать азото-замещенную вакансию, исследователи замещали атом углерода в крошечном алмазе на атом азота, убирая один из соседних атомов. В итоге образовывалась система из атома азота и «дыркой». Вакансии могут использоваться для излучения одного фотона, или же для обнаружения слабого магнитного поля. Системам такого типа присущи фотолюминисцентные свойства, что означает возможность преобразования информации в свет. Это открывает возможность использования азото-замещенных вакансий в квантовых вычисления, фотонике и прочих сферах.

Даже высокочистый природный и синтетический (IIa-типа) алмаз содержит небольшую концентрацию NV-центров. (Высокочистый синтетический алмаз изготавливают с помощью химического осаждения из паровой фазы (CVD)). Если же концентрация центров недостаточна, то образцы облучают и отжигают. Облучение ведут высокоэнергетическими частицами (10—80 кэВ); это может быть поток: электронов, протонов, нейтронов и гамма-частиц. NV-центры создаются на глубине до 60 мкм. Интересно, что NV0 в основном залегают до 0.2 мкм глубин. Созданные вакансии при комнатной температуре малоподвижны, однако при повышении температуры (выше 800С) их подвижность значительно вырастает. Атом азота, внедрённый в решётку, захватывает одну из вакансий и создаёт с другой соседней вакансией NV−.

Что касается радиоприемников, то они обычно состоят из пяти базовых компонентов: источника энергии, приемника, преобразователя, который превращает электромагнитные волны в электрический ток, регулятора и динамика. У системы, созданной специалистами из Гарварда есть все эти компоненты, хотя и не в том виде, в котором мы их привыкли видеть.

Источник энергии здесь — луч лазера, который направлен на электроны в азото-замещенных вакансиях. Электроны чувствительны к электромагнитному полю, так что они под воздействием лазерных лучей реагируют на радиоволны. Когда вакансия обнаруживает радиоволну, она преобразует ее в красный свет, который перенаправляется через фотодиод (в данном случае это преобразователь). Он превращает свет в ток. Дальше ток преобразуется в звук при помощи динамика.

Но что насчет настройки такого приемника? Эту проблему ученые тоже решили. Они создали вокруг алмаза магнитное поле, которым можно управлять для изменения частоты воспринимаемых вакансиями радиоволн. Сигнал может быть усилен, если работать с бОльшим количеством вакансий. В работе исследователей из SEAS используются миллиарды таких точечных дефектов алмазов. Работать система может и с одной вакансией, но, к сожалению, в этом случае излучать можно лишь один фотон за раз, вместо потока красного света.

В будущем команда исследователей надеется изучить возможность работы с другими дефектами атомов, например, с кремниевыми вакансиями в алмазах. Возможно, это поможет лучше управлять радиоволнами.

При проведении пробных испытаний алмазного радиоприемника ученые работали, в том числе, в условиях повышенной температуры — около 350 градусах Цельсия. «У алмазов уникальные свойства», — говорит руководитель проекта. «Этот радиоприемник может работать в космосе, в сложных условиях или в теле человека».

Исследование поддерживалось научным центром STC Center for Integrated Quantum Materials.