Российские ученые обнаружили эффект, при котором искусственный алмаз с примесями германия начал испускать сверхъяркие вспышки. Необычное по своим характеристикам излучение исследователи связывают с переходом германиевых центров к своеобразному коллективному состоянию. В результате вероятность поглощения и излучения света увеличивается в разы. Микроалмазы (кристаллы размерами от 1 до 50 мкм) с ярким свечением могут быть использованы в разного рода сенсорах, а также в качестве наномаркеров для наблюдения за процессами в живых объектах. Статья об этом удивительном явлении опубликована в престижном журнале Physical Review. Исследования были поддержаны в том числе грантом Российского научного фонда.
По структуре алмаз представляет собой кристаллическую решетку из углерода. Каждый атом связан с четырьмя ближайшими соседями, расположенными в вершинах правильного тетраэдра. Алмаз как исходный материал очень прочен, нетоксичен для живых организмов и достаточно прост для синтеза. Однако возможно замещение нескольких узлов кристаллической решетки атомами других элементов. Подобные замены называют точечными дефектами кристалла.
Все возрастающий интерес к этим объектам вызван их уникальными свойствами. Например, такие примеси как азот, кремний и германий позволяют алмазам эффективно поглощать свет и испускать его (люминесцировать), что задает характерный цвет кристалла. Кроме того, оптические свойства алмазов с примесями зависят от внешних условий: температуры, давления, параметров электрических и магнитных полей, а потому их можно использовать в качестве сенсоров.
В ходе работы коллективу ученых под руководством профессора РАН Андрея Наумова (Институт спектроскопии РАН, Московский педагогический государственный университет) удалось пронаблюдать и объяснить необычный эффект значительного (на порядок величины и более) возрастания интенсивности свечения алмаза, причем в очень короткий промежуток времени – от нескольких секунд до нескольких минут. Исследователи наблюдали необычную по своим характеристикам люминесценцию в одном из искусственных микроалмазов с примесями германия. Материал синтезировал профессор Евгений Екимов в Институте физики высоких давлений РАН имени Л. Ф. Верещагина (ИФВД), используя оригинальный метод синтеза при высоком давлении и высокой температуре.
Для изучения оптико-спектральных свойств алмазов с германиевыми примесями специалисты использовали уникальную технику лазерной флуоресцентной спектромикроскопии. Микрокристаллы, размещенные на поверхности покровного стекла, освещали непрерывным зеленым светом лазера, а возникающее при этом излучение детектировала высокочувствительная камера. Свечение одного из исследованных микроалмазов представляло собой повторяющиеся яркие вспышки, возникающие в германиевых центрах. В основе механизма, вероятно, лежит кооперация между отдельными источниками излучения, то есть германиевыми центрами. Авторы полагают, что это явление носит всеобщий характер и дальнейшие эксперименты с условиями синтеза алмазов позволят получать подобные сверхъяркие частицы контролируемым образом.
«Понимание природы наблюдаемого эффекта не только внесет вклад в копилку фундаментальных знаний, но и может положить основу фотонных и оптоэлектронных устройств нового поколения. Подобное свечение легче регистрировать, что существенно упростит технологические цепочки и уменьшит общие затраты на оборудование», — рассказал Андрей Наумов, один из авторов статьи, доктор физико-математических наук, профессор РАН, заведующий отделом спектроскопии конденсированных сред, заведующий лабораторией электронных спектров молекул Института спектроскопии РАН, заведующий кафедрой теоретической физики имени Э. В. Шпольского Московского педагогического государственного университета.