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 грантами РФФИ и РНФ.
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.
![Схематичная иллюстрация сверхъяркого свечения германиевых центров в микроалмазе (jpg, 684 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=9e8604b8-e43d-409c-a1da-d0ab6fe5925b)
Схематичная иллюстрация сверхъяркого свечения германиевых центров в
микроалмазе. Источник: Андрей Наумов