Российские физики объяснили, как свечение алмазов зависит от температуры

В ювелирном деле ценятся алмазы с «идеальной» структурой, однако в научных исследованиях дефекты в минералах чрезвычайно полезны. Некоторые дефекты, такие как замена атома углерода на другой атом в кристаллической решётке алмаза, называются «центрами окраски»: они меняют то, как минерал взаимодействует со светом, а значит и его цветовые характеристики. Эти дефекты представляют большой интерес для учёных, так как их можно использовать при создании квантовых устройств.

«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», — рассказывает Александр Разгулов, младший научный сотрудник Института физики высоких давлений имени Л. Ф. Верещагина РАН, аспирант МФТИ.

В условиях экстремальной температуры — свыше -279°C — форма спектров люминесценции изменяется. Высокая температура приводит к уширению люминесцентных пиков, а также сдвигу этих пиков в области меньших энергий. При работе со свойствами алмазов важно хорошо ориентироваться в этих нюансах.

Российские исследователи провели серию экспериментов, чтобы раскрыть механизмы электрон-фононного взаимодействия в алмазах с германиевыми дефектами. Авторы работы смогли выделить два различных вклада в температурное уширение и сдвиг люминесцентных пиков. Первый — вклад самого электрон-фононного взаимодействия, а второй — вклад температурного расширения алмазной кристаллической решётки. Чтобы прийти к этой классификации учёные рассмотрели влияние не только температуры, но и гидростатического давления. Эксперименты проводились с применением уникального оборудования, разработанного ИФВД РАН. Проанализировав полученные данные и сопоставив их с существующими теоретическими моделями, исследователи пересмотрели общепринятое описание наблюдаемых температурных эффектов и установили конкретный физический механизм, который отвечает 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», — отметил руководитель проекта по гранту РНФ Евгений Екимов, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ИФВД РАН.