1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 86, № 12, 2022

Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 12, стр. 1724-1726

Особенности оптического детектирования магнитного резонанса в наноалмазах

А. В. Леонтьев 1, *, Д. К. Жарков 1, А. Г. Шмелев 1, В. Г. Никифоров 1, В. С. Лобков 1, Е. О. Митюшкин 2, М. Х. Алькатани 3

1 Казанский физико-технический институт имени Е.К. Завойского – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки “Федеральный исследовательский центр “Казанский научный центр Российской академии наук”
Казань, Россия

2 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Казанский (Приволжский) федеральный университет”
Казань, Россия

3 Национальный центр лазерных технологий и оптоэлектроники, Город науки и техники Короля Абдулазиза
Эр-Рияд, Саудовская Аравия

* E-mail: AVLeontyev@gmail.com

Поступила в редакцию 29.07.2022
После доработки 15.08.2022
Принята к публикации 22.08.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлены результаты исследования возможности создания оптически активных наноалмазов, чувствительных к магнитным полям. Эксперименты по оптическому детектированию магнитного резонанса в синтезированных наноалмазах ясно показали наличие отрицательно заряженных азотно-вакансионных центров окраски, чувствительных к внешнему магнитному полю. Полученные результаты демонстрируют возможность применения таких наноалмазов в роли наносенсоров слабых магнитных полей.

ВВЕДЕНИЕ

Квантовые оптические магнитометры, использующие сигналы оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР) на азотно-вакансионных (NV) центрах в алмазе [1, 2], в настоящее время занимают значительную нишу в задачах измерения локальных магнитных полей. Поскольку NV-центры представляют собой точечные дефекты атомарного размера и могут быть локализованы в непосредственной близости от поверхности алмаза, их можно расположить в пределах нескольких нанометров от образцов, что обеспечивает нанометровое пространственное разрешение [3]. В то же время возможно достижение высокой чувствительности с использованием ансамбля таких центров [4]. Практически абсолютная инертность алмаза позволяет использовать такие магнитометры в биологических образцах, включая отдельные нейроны [1, 5, 6].

Нами исследована возможность изготовления люминесцентного наномагнетометра на основе образцов, полученных с использованием сравнительно простой техники выращивания наноалмазов вокруг алмазоподобной молекулы затравки.

ЭКСПЕРИМЕНТ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Наноалмазы были синтезированы в соответствии с процедурой [7], краткое описание которой состоит в следующем. Молекулы затравки (1-адамантиламин) были распределены в смеси гептаметилнонана и тетракозана. Далее реакционная смесь была помещена в отверстие в металлической гаскете из жаропрочной стали Inconel 718. Гаскета с заполненной реакционной камерой (диаметр и толщина последней составляли ~100 мкм) была помещена в винтовую ячейку с алмазными наковальнями (изготовлена из Inconel 718, наковальни Almax easyLab). Рост наноалмазов производился в условиях давления в ячейке 10 ГПа, температуре 650°С в аргоновой атмосфере для защиты наковален в течение 4 ч, после чего продукты реакции были извлечены из ячейки высокого давления. С целью создания углеродных вакансий они были облучены ионами гелия (50 кэВ, 2 · 1013 ионов/см2). Далее при температуре 750°С в течение 2 ч происходило окончательное формирование азотно-вакансионных центров [8, 9].

Оптических свойства полученных центров в наноалмазах исследовались с использованием лазерного сканирующего конфокального микроскопа (рис. 1). Возбуждение осуществлялось второй гармоникой непрерывного YAG-Nd лазера (532 нм, 5 мВ). Лазерный луч фокусировался 40× микрообъективом на поверхность кремниевой пластинки с диспергированными на ней наноалмазами. Пространственное положение сфокусированного пучка управлялось парой гальванометрических зеркал (Thorlabs GVS 212) и пьезоэлектрическим микроактуатором (Newport NPO140SG). Излучение облучаемой лазером области, пропущенное через блокирующий длину волну лазера фильтр, направлялось на фотодетектор, счетчик фотонов или оптический спектрометр, представляющий собой комбинацию дифракционной решетки (Thorlabs GT25-03) и ПЗС-камеры (Starlight Xpress Trius SX-694).

Рис. 1.

Схема установки по регистрации сигналов ОДМР с субмикронным пространственным разрешением: 1 – кремниевая подложка с диспергированными на ней наноалмазами, 2 – катушки Гельмгольца, 3 – РЧ-антенна, 4 – генератор РЧ-поля, 5 – лазер, 6 – микрообъектив, 7 – фотодетектор.

Для наблюдения сигналов ОДМР был использован высокочастотный генератор (Windfreak SynthHD). Подача радиочастотного (РЧ) поля в исследуемую область на поверхности кремниевой подложки осуществлялась с помощью прямого медного провода диаметром 100 мкм, размещенного на поверхности подложки вблизи исследуемых частиц и подсоединенного к цепи генератора. Величина внешнего постоянного магнитного поля регулировалась при помощи катушек Гельмгольца в диапазоне 0.7–7 мТл.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Пример спектра люминесцирующей области приведен на рис. 2. Положения максимумов в спектре вблизи 575 нм и 638 нм соответствуют бесфононным линиям центров NV0 и NV–.

Рис. 2.

Спектр люминесценции NV-центров в наноалмазах при возбуждении излучением с длиной волны 532 нм.

Сигнал ОДМР, представленный на рис. 3, получен путем варьирования частоты РЧ поля в диапазоне 2.75–3 ГГц с одновременной регистрацией в режиме счета фотонов интегральной интенсивности люминесценции. Полученные характерные зависимости спектров от величины постоянного магнитного поля полностью соответствуют таковым для отрицательно заряженных центров (NV–) [9]. Как правило, низкая концентрация P1-центров в наноалмазах проявляется в виде высококонтрастного узкого сигнала ОДМР, шириной около 15 МГц, линия которого не имеет расщепления в нулевом магнитном поле [9, 10]. На рис. 3 видно, что в нашем случае низкоконтрастный сигнал ОДМР имеет ярко выраженное расщепление в нулевом магнитном поле. Согласно [7], расщепление вызвано наличием локальных электрических полей из-за высокой концентрации доноров электронов. Таким образом, основываясь на приведенных выше соображениях, разумно предположить, что полученные нами наноалмазы имеют большую концентрацию P1-центров, которая образовалась во время быстрого роста нанокристаллов при температуре 650°С, путем включения атомов азота в кристаллическую решетку. Отметим, что высокая концентрация доноров электронов препятствует переходам между состояниями NV0 и NV– и, таким образом, стабилизируют отрицательно заряженный центр окраски. Стабильность NV– центров под действием красного лазерного излучения крайне желательна при детектировании магнитных полей в биологических задачах. Рисунок 3 как раз показывает чувствительность ОДМР сигнала к приложенному внешнему магнитному полю. Видно, что поле величиной 6.8 мТ приводит к сдвигу пиков ОДМР на 130 МГц. Этот факт дает основания полагать, что после калибровки синтезированные нами наноалмазы можно использовать в качестве наносенсоров локальных магнитных полей.

Рис. 3.

Сигналы ОДМР NV-центров в наноалмазах в постоянном магнитном поле 0–7 мТ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Cинтезированы образцы наноалмазов, содержащие азотно-вакансионные центры окраски, на которых зарегистрированы спектры ОДМР во внешнем постоянном магнитном поле. Контраст и чувствительность к величине поля сигналов ОДМР достаточны для использования таких частиц в качестве наносенсоров локальных магнитных полей индукцией порядка 1 мТ.

Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20-02-00545), а также РФФИ и БРФФИ (проект № 20-52-04018).

Список литературы

  1. Hall L., Beart G., Thomas E. et al. // Sci. Rep. 2012. V. 2. P. 401.

  2. Balasubramanian G., Chan I.Y., Kolesov R. et al. // Nature. 2008. V. 455. P. 648.

  3. Taylor J.M., Cappellaro P., Childress L. et al. // Nature Phys. 2008. V. 4. P. 810.

  4. Hong S., Grinolds M.S., Pham L.M. et al. // MRS Bulletin. 2013. V. 38. P. 155.

  5. Chen S., Li W., Zheng X. et al. // Proc. National Acad. Sci. 2022. V. 119. No. 5. Art. No. e2118876119.

  6. Barry J.F., Turner M.J., Schloss J.M. et al. // Proc. National Acad. Sci. 2016. V. 113. No. 49. P. 14133.

  7. Alkahtani M., Lang J., Naydenov B. et al. // ACS Photonics. 2019. V. 6. No. 5. P. 1266.

  8. Alkahtani M., Hemmer P. // Opt. Mater. Express. 2020. V. 10. P. 1224.

  9. Matsuzaki Y., Morishita H., Shimooka T. et al. // J. Phys. Cond. Matter. 2016. V. 28. Art. No. 275302.

  10. Mittiga T., Hsieh S., Zu C. et al. // Phys. Rev. Lett. 2018. V. 121. No. 24. Art. No. 246402.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал