Ontdekking van ST2-centra in natuurlijke en CVD-diamant

Een nieuw soort kleine kompasnaald in diamant

Moderne wetenschap moet vaak magnetische velden meten op de schaal van individuele moleculen of piepkleine magnetische structuren, maar onze alledaagse magneten en sensoren zijn veel te groot en log voor dat werk. Dit artikel beschrijft de ontdekking en gedetailleerde studie van een nieuw type atomaire “kompas” in diamant, het ST2-centrum, dat bij kamertemperatuur kan werken en sterke magnetische velden uit vrijwel elke richting kan waarnemen. Zulke kwantumsensoren zouden in de toekomst kunnen helpen om de interne werking van next‑generation chips, exotische magnetische materialen of zelfs biologische systemen met ongekende nauwkeurigheid in kaart te brengen.

Speciale defecten bewust maken

Het belangrijkste idee is om gebruik te maken van kleine onvolkomenheden in het anders regelmatige koolstofrooster van diamant als gevoelige probe. De auteurs ontdekten ST2-centra eerst in een natuurlijke diamant met onbekende herkomst, aan hun scherpe gloed bij een specifieke blauwtint en aan hoe die gloed veranderde in een magnetisch veld. Daarna vonden ze uit hoe ze deze centra opzettelijk konden maken in laboratorium‑gekweekt diamant: ze schoten koolstofionen in het kristal met zorgvuldig gekozen energieën en doses en verhitten de diamant vervolgens tot zeer hoge temperaturen. Door de temperatuur van het gloeien te variëren en langzaam dunne lagen weg te etsen, lieten ze zien dat het aantal en de diepte van ST2-centra het patroon volgen van de schade die door de invallende ionen werd veroorzaakt. Dit suggereert sterk dat ST2-centra “intrinsieke” defecten zijn, gemaakt uitsluitend uit verplaatste koolstofatomen en lege roosterplaatsen, zonder vreemde atomen erbij.

Licht, spin en een langlevende verborgen toestand

Om te begrijpen hoe ST2-centra zich gedragen, bestudeerde het team individuele defecten één voor één met een speciale microscoop en zeer zwak laserlicht. Elk ST2-centrum zendt enkele fotonen uit, wat bevestigt dat ze als echte kwantumlichtbronnen functioneren. Belangrijker nog, hun helderheid verandert wanneer microgolven en magnetische velden worden toegepast, een kenmerk van een bestuurbare kwantum‑“spin” in het defect. De gegevens passen bij een eenvoudige interne structuur: twee heldere toestanden die licht absorberen en uitstralen, en ertussenin een donkerder, langlevend trio van toestanden. Wanneer het centrum sterk door licht wordt aangedreven, lekt een deel van de populatie naar dit donkere trio en blijft daar tientallen microseconden hangen—lang genoeg om door microgolven te worden gemanipuleerd. Door licht- en microgolfpulsen nauwkeurig te timen, maten de onderzoekers de levensduren van alle drie de donkere toestanden en observeerden zij subtiele kwantumeffecten in hoe de populatie tussen hen wordt verschoven.

Magnetische velden waarnemen uit vrijwel elke richting

De opvallende eigenschap van ST2-centra is hoe ze reageren op magnetische velden. Door een sterke permanente magneet rond de diamant te bewegen, registreerden de auteurs hoe de gloed van een enkel ST2-centrum helderder of zwakker werd naarmate de veldrichting veranderde. Ze vergeleken deze patronen vervolgens met gedetailleerde simulaties van een driedelig spinsysteem. Deze analyse liet zien dat ST2-centra in twaalf verschillende orientaties binnen de diamant voorkomen en dat hun interne assen uitgelijnd zijn met de bindingsrichtingen van het kristal. Cruciaal is dat de microgolfrespons die ten grondslag ligt aan sensing—bekend als optisch gedetecteerde magnetische resonantie—sterk blijft voor vrijwel alle veldrichtingen bij typische laboratoriumsterktes. Dit staat in scherp contrast met het veelgebruikte stikstof‑vacature (NV)-centrum, waarvan de gevoeligheid instort wanneer het veld te ver van zijn symmetrieas is gekanteld.

Wat kan dit defect nog meer voelen?

Aangezien andere diamantdefecten ook temperatuur en elektrische velden kunnen detecteren, onderzocht het team deze mogelijkheden voor ST2. Ze vonden dat verandering van de temperatuur tussen ongeveer 40 en 60 graden Celsius de belangrijkste microgolffrequenties van ST2 op een stabiele, voorspelbare manier doet verschuiven, hoewel niet zo sterk als bij NV-centra. Dat betekent dat ST2 nog steeds als een lokale thermometer kan dienen wanneer nodig, maar niet de beste keuze is wanneer temperatuur het belangrijkste meetsignaal is. Aan de andere kant veroorzaakten zelfs zeer sterke elektrische velden geen detecteerbare verandering, wat past bij het idee dat het ST2-centrum symmetrisch is op een manier die een permanente elektrische dipool opheft. Dit maakt ST2 minder bruikbaar als elektrische‑veldsensor, maar ook minder kwetsbaar voor ongewenste elektrische ruis.

Waarom dit ertoe doet voor toekomstige kwantumtools

Al met al komt het ST2-centrum naar voren als een robuuste nieuwe bouwsteen voor nanoschaal magnetische sensing. Hoewel de huidige methode om deze defecten te maken een lage opbrengst heeft en beperkt hoeveel ervan in een apparaat kunnen worden ingebouwd, bieden individuele ST2-centra al magnetische gevoeligheid die kan wedijveren met andere veelbelovende defecten, terwijl ze goed werken onder sterke, willekeurig georiënteerde velden. Dat maakt ze een ideale aanvulling op NV-centra: NV blinkt uit in het detecteren van zeer zwakke velden, terwijl ST2 uitblinkt wanneer de velden sterker en minder gealigneerd zijn. Als er methoden worden gevonden om ST2-centra efficiënter te fabriceren en ze te integreren in ontworpen diamanttips en microstructuren, zouden ze compacte kwantumprobes kunnen aandrijven die het gedetailleerde magnetische landschap van geavanceerde materialen en apparaten onthullen.

Bronvermelding: Foglszinger, J., Denisenko, A., Astakhov, G.V. et al. Discovery of ST2 centers in natural and CVD diamond. npj Quantum Inf 12, 42 (2026). https://doi.org/10.1038/s41534-025-01116-8

Trefwoorden: diamantdefecten, kwantumsensing, magnetometrie, spincentra, vaste-staat qubits