Открытие центров ST2 в природном и CVD-алмазе

Новый вид крошечного компаса в алмазе

Современной науке часто требуется измерять магнитные поля на масштабе отдельных молекул или крошечных магнитных структур, но привычные магниты и датчики слишком большие и непрактичные для таких задач. В этой статье сообщается об обнаружении и подробном исследовании нового атомного «компаса» в алмазе, названного центром ST2, который может работать при комнатной температуре и чувствовать сильные магнитные поля практически из любого направления. Такие квантовые датчики однажды могут позволить с невиданной детальностью картировать внутреннюю структуру передовых микросхем, экзотических магнитных материалов или даже биологических систем.

Создание специальных дефектов намеренно

Ключевая идея — использовать крошечные нарушения в регулярно устроенной углеродной решётке алмаза в качестве чувствительных зондов. Авторы впервые обнаружили центры ST2 в природном алмазе с неизвестной историей по их яркому свечению при определённом оттенке синего света и по тому, как это свечение менялось в магнитном поле. Затем они научились создавать эти центры в лабораторно вырощенном алмазе: бомбардировали кристалл ионами углерода с точно подобранной энергией и дозой, а затем нагревали алмаз до очень высоких температур. Варьируя температуру отжига и постепенно протравливая тонкие слои, они показали, что число и глубина центров ST2 соответствуют распределению повреждений, созданных входящими ионами. Это сильно указывает на то, что центры ST2 являются «внутренними» дефектами, образованными только смещёнными атомами углерода и пустыми узлами решётки, без примеси чужеродных атомов.

Свет, спин и долго живущее скрытое состояние

Чтобы понять поведение центров ST2, группа исследовала отдельные дефекты по одному, используя специализированный микроскоп и очень слабый лазерный свет. Каждый центр ST2 испускает одиночные фотоны, что подтверждает их роль как истинных квантовых источников света. Более важно то, что их яркость меняется при подаче микроволн и магнитных полей — признак управляемого квантового «спина» внутри дефекта. Набор данных согласуется с простой внутренней моделью: два ярких состояния, которые поглощают и испускают свет, и тёмная, долго живущая тройка состояний между ними. При сильном оптическом возбуждении часть населения уходит в эту тёмную троицу и задерживается там на десятки микросекунд — достаточно долго, чтобы ею можно было управлять микроволнами. Тщательно синхронизируя световые и микроволновые импульсы, исследователи измерили времена жизни всех трёх тёмных состояний и наблюдали тонкие квантовые эффекты в перераспределении населения между ними.

Видеть магнитные поля почти из любого направления

Выдающаяся особенность центров ST2 — их реакция на магнитные поля. Перемещая сильный постоянный магнит вокруг алмаза, авторы регистрировали, как свечение отдельного центра ST2 усиливается или ослабевает при изменении направления поля. Затем они сопоставили эти шаблоны с подробными моделями трёхуровневой спиновой системы. Анализ показал, что центры ST2 занимают двенадцать различных ориентаций в алмазе и что их внутренние оси совпадают с направлениями ковалентных связей кристалла. Существенно, что микроволновая отклика, лежащая в основе зондирования — оптически детектируемый магнитный резонанс — остаётся сильной для почти всех направлений поля при типичных лабораторных величинах. Это резко контрастирует с широко используемым центром нитрогена-вакансии (NV), чувствительность которого падает, когда поле слишком сильно отклоняется от его оси симметрии.

Что ещё может чувствовать этот дефект?

Поскольку другие дефекты в алмазе также способны обнаруживать температуру и электрические поля, команда изучила эти возможности для ST2. Они обнаружили, что изменение температуры в диапазоне примерно от 40 до 60 градусов Цельсия вызывает сдвиг ключевых микроволновых частот ST2 в линейном, предсказуемом виде, хотя не так сильно, как в центрах NV. Это означает, что ST2 по-прежнему может служить локальным термометром при необходимости, но не является лучшим выбором, когда температура — основной измеряемый сигнал. С другой стороны, даже очень сильные электрические поля не вызвали заметных изменений, что согласуется с идеей о симметрии ST2, приводящей к аннулированию постоянного электрического диполя. Это делает ST2 менее пригодным для измерения электрического поля, но также повышает его устойчивость к помехам от нежелательного электрического шума.

Почему это важно для будущих квантовых инструментов

В целом центр ST2 проявляет себя как надёжный новый строительный блок для наномасштабного магнитного зондирования. Хотя текущий метод создания этих дефектов имеет низкую выходную эффективность и ограничивает плотность их размещения в приборе, одиночные центры ST2 уже предлагают магнитную чувствительность на уровне других перспективных дефектов при хорошей работе в сильных, произвольно ориентированных полях. Это делает их отличным дополнением к центрам NV: NV хороши в детектировании очень слабых полей, тогда как ST2 превосходят при более сильных и менее выровненных полях. Если удастся разработать методы более эффективного формирования центров ST2 и интеграции их в специально сконструированные алмазные наконечники и микроструктуры, они могут стать основой компактных квантовых зондов, раскрывающих детальную магнитную картину передовых материалов и устройств.

Цитирование: 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

Ключевые слова: дефекты алмаза, квантовое зондирование, магнитометрия, спиновые центры, твердотельные кубиты