Свойства физических систем могут существенным образом зависеть от температуры. Свечение, которое обеспечивают дефекты кристаллической решетки алмаза, не исключение. Российские ученые раскрыли фундаментальные механизмы процессов, ответственных за такие температурные эффекты, что поможет разрабатывать квантовые и оптические устройства нового поколения. Статья по работе, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликована в Journal of Luminescence.

Алмазы славятся своими уникальными физическими свойствами, и, хотя «идеальность» их строения ценится среди ювелиров, для научных применений дефекты могут оказаться чрезвычайно полезными. Например, замена атома углерода в кристаллической решетке на другой атом влияет на то, как алмаз взаимодействует со светом. В результате меняется цвет камня, а потому такие дефекты называют центрами окраски. Они поглощают свет вне области собственного поглощения кристалла. Для науки такие дефекты представляют большой интерес, так как их можно использовать для разработки разнообразных квантовых устройств. Надеяться на природу в таких ситуациях нельзя, поэтому примеси целенаправленно вносят — легируют — в синтетические кристаллы.

«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 своей 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 Института физики высоких давлений имени Л.Ф. Верещагина РАН, аспирант МФТИ.

При повышении температуры выше 4К (примерно -269°С) исследователи сталкиваются с тем, что спектры люминесценции изменяют свою форму. В частности, повышение температуры приводит к уширению люминесцентных пиков (температурное уширение), а также к сдвигу максимумов этих пиков в область меньших энергий (красное смещение). Когда важна точность, эти нюансы необходимо знать и уметь предсказывать.

Ученые из Института физики высоких давлений имени Л.Ф. Верещагина РАН (Москва) совместно с коллегами из Московского физико-технического института (Москва) провели серию экспериментов, что помогло выяснить механизмы электрон-фононного взаимодействия в алмазах с германиевыми дефектами. При облучении светом атомы в составе кристаллической решетки начинают колебаться (эти колебания и называют фононами), влияя на собственные электроны решетки. Авторы, в отличие от своих предшественников, смогли разделить два различных вклада в температурное уширение и сдвиг люминесцентных пиков: вклад непосредственно электрон-фононного взаимодействия и вклад температурного расширения алмазной решетки. Для этого физики исследовали влияние не только температуры, но и гидростатического (то есть одинакового во всех точках кристалла) давления на люминесценцию центров окраски в алмазе. Эксперименты проводили с использованием уникального оборудования, созданного в ИФВД РАН. Тщательный анализ полученных экспериментальных данных и существующих теоретических моделей электрон-фононного взаимодействия в центрах окраски в алмазе позволил авторам пересмотреть существующее на сегодняшний день описание наблюдаемых температурных эффектов и установить конкретный физический механизм, ответственный за их проявление.

«Решающую роль в исследовании сыграло высочайшее качество алмазов, синтезированных при высоких давлениях и температурах в углеводородной ростовой системе. В настоящее время мы разрабатываем новую методику контролируемого легирования «органических» нано- и субмикроалмазов в процессе синтеза, которая позволит получать кристаллы с единичными центрами окраски. Совершенные кристаллы алмаза с единственным центром окраски являются штучным товаром, чрезвычайно востребованным для высокотехнологичных приложений», — добавил руководитель проекта по гранту РНФ Евгений Екимов, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ИФВД РАН.