Діаманти формують майбутнє електроніки та квантових технологій

Діаманти більше не лише для ювелірних виробів — вони крокують у майбутнє технологій. Вчені виявили, як додавання бору в алмази відкриває нові властивості, які можуть революціонізувати квантові обчислення, біомедичні пристрої та потужну електроніку.

Розкриття потенціалу Diamond в електроніці та оптиці

Алмаз, відомий своєю надзвичайною твердістю та прозорістю, виявився винятковим матеріалом для потужної електроніки та передової квантової оптики. Додаючи такі домішки, як бор, алмаз можна сконструювати таким чином, щоб він проводив електрику, так само як метал.

Дослідники з Case Western Reserve University та Університету штату Іллінойс Урбана-Шампейн виявили дивовижну нову властивість алмазів, легованих бором. Ці покращені алмази можуть призвести до революційних досягнень у біомедичних і квантових оптичних пристроях, створюючи швидші та ефективніші технології, здатні обробляти інформацію так, як традиційні системи не можуть. Висновки, опубліковані сьогодні (14 січня) у Nature Communications , підкреслюють трансформаційний потенціал цього відкриття.

Досягнення в нанорозмірних оптичних пристроях

Дослідники виявили, що леговані бором алмази демонструють плазмони — хвилі електронів, які рухаються, коли на них потрапляє світло, що дозволяє контролювати та посилювати електричні поля в нанометровому масштабі. Це важливо для передових біосенсорів, нанорозмірних оптичних пристроїв, а також для вдосконалення сонячних елементів і квантових пристроїв. Раніше було відомо, що леговані бором алмази проводять електрику та стають надпровідниками, але не мають плазмонних властивостей. На відміну від металів або навіть інших легованих напівпровідників, алмази, леговані бором, залишаються оптично прозорими.

Уявлення про квантові та оптичні інновації

«Діамант продовжує сяяти, — сказав Джузеппе Странгі, професор фізики Case Western Reserve, — як буквально, так і як маяк для наукових і технологічних інновацій. По мірі того, як ми крокуємо далі в еру квантових обчислень і комунікацій, такі відкриття наближають нас до використання всього потенціалу матеріалів на їх фундаментальному рівні».

«Розуміння того, як допінг впливає на оптичну реакцію напівпровідників, таких як алмаз, змінює наше розуміння цих матеріалів», — сказав Мохан Санкаран, професор ядерної, плазмової та радіологічної інженерії в Іллінойському коледжі Грейнджера.

Історичний контекст і майбутні наслідки плазмонних матеріалів

Плазмонічні матеріали, які впливають на світло на нанорозмірі, захоплювали людей протягом століть, ще до того, як їх наукові принципи були зрозумілі. Яскраві кольори в середньовічних вітражах створені завдяки металевим наночастинкам, вбудованим у скло. Коли світло проходить, ці частинки генерують плазмони, які створюють певні кольори. Наночастинки золота виглядають рубіново-червоними, тоді як наночастинки срібла мають яскраво-жовтий колір. Це стародавнє мистецтво підкреслює взаємодію між світлом і матерією, надихаючи сучасні досягнення в нанотехнологіях і оптиці.

Алмази, що складаються з прозорих кристалів елемента вуглецю, можуть бути синтезовані з невеликими кількостями бору, що поряд з вуглецем у періодичній таблиці. Бор містить на один електрон менше, ніж вуглець, що дозволяє йому приймати електрони. Бор по суті відкриває періодичну електронну «діру» в матеріалі, яка збільшує здатність матеріалу проводити струм. Алмазна решітка, легована бором, залишається прозорою з синім відтінком. (Знаменитий діамант Надії блакитний, тому що містить невелику кількість бору).

Потенційні біомедичні застосування алмазів, легованих бором

Завдяки іншим унікальним властивостям — він також хімічно інертний і біологічно сумісний — алмаз, легований бором, потенційно може бути використаний у контекстах, які не можуть використовувати інші матеріали, наприклад для медичної візуалізації або високочутливих біочіпів чи молекулярних датчиків.

Довідка: «Інтервалентні плазмони в алмазі, легованому бором» 14 січня 2025 р., Nature Communications.

Алмази, синтезовані при низькому тиску, були вперше введені в Case Western Reserve (тоді Case Institute of Technology) у 1968 році викладачем Джоном Ангусом, який помер у 2023 році. Ангус також був першим, хто повідомив про електропровідність алмазу, легованого бором.