Optical centers in cubic boron nitride and diamond: remarkable similarities

تخيل مادتين شديدتي الصلابة واللمعان، وهما من "نجوم الروك" في عالم المعادن: الألماس ونتريد البورون المكعب (cBN). فكر فيهما كتوأمين مثاليين انفصلا عند الولادة. كلاهما يمتلك بنية بلورية تبدو كشبكة مثالية متداخلة من الذرات، ويمكنهما تحمل الحرارة الحارقة دون انصهار، وهما شديدا القوة بشكل لا يصدق. ولأنهما متشابهان للغاية، فقد اشتبه العلماء لفترة طويلة في أنه إذا أحدثت ثقباً في أحدهما أو أسقطت ذرة غبار في الآخر، فينبغي أن يتفاعلا بنفس الطريقة تقريباً.

ولكن هنا يكمكم اللغز: نحن نعرف الكثير عن "الندبات" و"علامات الولادة" (العيوب) داخل الألماس. نحن نعرف بالضبط ما الذي يجعل الألماس يتلألأ باللون الأزرق أو يتوهج بالأخضر. لكن نتريد البورون المكعب (cBN) يشبه ابن العم الخجول الذي يحتفظ بأسراره. نحن نرى توهجه بألوان غريبة، لكننا لا نعرف ما الذي يسببه. هل هي ذرة مفقودة؟ أم ذرة إضافية؟ أم نوع معين من الشوائب؟ إن فهم هذه العيوب الصغيرة أمر بالغ الأهمية، لأننا إذا استطعنا فهمها، يمكننا تحويل cBN إلى أداة عالية التقنية للحواسيب الكمومية أو الأضواء فائقة السطوع، تماماً كما فعلنا مع الألماس.

هذه الورقة البحثية تشبه قصة بوليسية حيث قرر المحققون التوقف عن التخمين والبدء في المقارنة. قام الباحثون بتنمية بلورات الألماس وcBN في نفس الفرن عالي الضغط، وباستخدام نفس الأدوات والظروف. الأمر يشبه خبز كعكتين مختلفتين في نفس الفرن وبنفس الخليط لرؤية كيف سينتفخان. ومن خلال النظر إليهما جنباً إلى جنب، وجدوا أن "الندبات" في cBN هي في الواقع صور مرآتية للندبات في الألماس، ولكنها مزاحة قليلاً في اللون.

إليكم ما اكتشفوه:

حل لغز اللون الأصفر
كانت العديد من بلورات cBN التي زرعوها ذات لون أصفر مشرق وشمسي. ولفترة طويلة، لم يعرف أحد السبب. وجد الباحثون أنه في هذه البقع الصفراء، كان هناك الكثير من الأكسجين. أدركوا أن ذرة أكسجين قد تسللت إلى البلورة وأخذت مكان ذرة نيتروجين. الأمر يشبه لعبة "الكراسي الموسيقية" حيث جلس الأكسجين في مقعد النيتروجين، مما غير لون البلورة. هذا يشبه إلى حد كبير كيف يسبب النيتروجين الألوان الصفراء في الألماس، ولكن مع لعب الأكسجين الدور الرئيسي في cBN.

التوائم "الإشعاعية"
عندما عرضوا cBN لجسيمات عالية الطاقة، ظهرت بقع متوهجة جديدة، سُميت RC1 وRC3. بدت هذه البقع مريبة، وكأنها تشبه مراكز "النيتروجين-الفراغ" الشهيرة في الألماس (تلك التي تجعل الألماس يتوهج بالأحمر أو الأخضر). لاحظ الباحثون أن هذه البقع في cBN تغير توهجها عند تعرضها لأضواء بألوان مختلفة، تماماً مثل أقربائها من الألماس. ويقترحون أن هذه ليست مجرد أعطال عشوائية؛ بل هي على الأرجح معقد يتكون من ذرة أكسجين أخذت مكان ذرة نيتروج de، وتقبع بجوار ذرة بورون مفقودة (فراغ). أحدهما هو النسخة "المتعادلة"، والآخر هو النسخة "المشحونة"، ويعملان تماماً مثل أزواج النيتروجين-الفراغ في الألماس، ولكن مع هذا الفريق المحدد المكون من الأكسجين وفراغ البورون.

أدلة النيكل والسيليكون
وجدوا أيضاً توهجاً محدداً عند 1.76 إلكترون فولت في البلورات المصنوعة باستخدام محفز النيكل. في الألماس، يخلق النيكل نمطاً معقداً ومحدداً من الضوء. وبما أن بلورات cBN صُنعت باستخدام نفس النيكل، يعتقد الباحثون أن هذا التوهج ناتج أيضاً عن النيكل، وليس بسبب ذرة نيتروجين مفقودة كما اعتقد البعض سابقاً.

وبالمثل، عندما أضافوا السيليكون إلى الخليط، ظهر توهج جديد عند 1.816 إلكترون فولت. في الألماس، يخلق السيليكون عيب "الفراغ المنقسم" (حيث تجلس ذرة السيليكون بين مكانين، مما يدفع الفراغين بعيداً عن بعضهما). يقترح الباحثون أن توهج cBN هو الشيء نفسه: ذرة سيليكون وفراغ يعملان معاً، بدلاً من مجرد ذرة سيليكون تجلس بمفردها.

"الشبح" في الآلة
أخيراً، ظهر توهج حاد وغريب يسمى مركز BN1 بعد الإشعاع المكثف. كان له "بصمة" فريدة من الموجات الصوتية (الفونونات) التي تهتز حوله. طابقت هذه البصمة عيباً في الألماس ناتجاً عن معقد مرتبط بالذرات البينية (عيب يتضمن ذرة محشورة في الفجوات البلورية). يقترح الباحثون أن مركز BN1 هو على الأرجح عيب مشابه مرتبط بالذرات البينية في cBN، وليس مجرد ذرة مفقودة.

الصورة الكبيرة
لا تدعي هذه الورقة أنها حلت كل الألغاز بيقين مطلق. بدلاً من ذلك، هي تقدم خريطة قوية جداً. إنها تقترح أنه إذا كنت تعرف "شخصية" عيب ما في الألماس، يمكنك تخمين "شخصية" توأمه في cBN. قد تكون الألوان مختلفة قليلاً (مزاحة بحوالي 40 إلى 140 ميلي إلكترون فولت)، لكن الشخصيات هي نفسها. وهذا يمنح العلماء طريقة جديدة وقوية لفهم cBN: من خلال النظر إلى توأمه الشهير، الألماس، يمكنهم أخيراً البدم في قراءة القصة المكتوبة في ضوء نتريد البورون المكعب.