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. Источник: Андрей Наумов