Irradiation-Induced Spin Bath Evolution and as-Grown Hydrogen Defects in CVD Diamond Revealed by NV-Based DEER Spectroscopy

Diep binnen het kristalrooster van diamant fungeren minuscule imperfecties als krachtige sensoren. Onder deze imperfecties is de stikstof-vacature-centrum (nitrogen-vacancy center) een uitblinker. Het is een plek in de diamant waar een stikstofatoom naast een ontbrekend koolstofatoom zit, wat een zakje creëert dat een elektron vasthoudt met een unieke magnetische persoonlijkheid. Wetenschappers weten al lang hoe ze deze centra kunnen gebruiken om magnetische velden met ongelooflijke precisie te detecteren, zelfs op de schaal van individuele moleculen. Echter, voor deze sensoren om optimaal te functioneren, moet de diamant die hen omringt uitzonderlijk stil zijn. Net zoals een microfoon het gezoem van een nabijgelegen koelkast oppikt, wordt het gevoelige elektron in het stikstof-vacature-centrum gemakkelijk verstoord door andere magnetische "ruis" in de diamant, zoals rondvliegende atomen of defecten. Om betere sensoren te bou�en, moeten onderzoekers leren hoe ze deze achtergrondruis kunnen dempen, een taak die vereist dat men precies begrijpt wat die luidruchtige buren zijn en hoe zij zich gedragen.

Een team van onderzoekers van de Hasseltse Universiteit en het Tsjechische Instituut voor Nucleaire Fysica heeft een nauwkeurige blik geworpen op deze luidruchtige omgeving, waarbij ze volgden hoe deze verandert vanaf het moment dat een diamant wordt gegroeid tot het moment dat deze wordt verwerkt voor gebruik. Ze richtten zich op synthetische diamanten die in een laboratorium zijn gemaakt, die laag voor laag uit gas worden gegroeid. Het standaardrecept voor het maken van deze sensoren omvat drie hoofdfasen: het groeien van de diamant, het bombarderen van de diamant met hoogenergetische elektronen om lege ruimtes in het kristalrooster te creëren, en vervolgens het verhitten om die lege ruimtes aan te moedigen om bij stikstofatomen te vinden en zich bij hen te voegen om de gewenste sensoren te vormen. Terwijl wetenschappers al lang het eindresultaat hebben bestudeerd, besloot dit team het proces in realtime te observeren, specif으로 kijkend naar de chaotische middelste fase direct nadat de diamant door elektronen is geraakt, maar voordat deze wordt verhit. Ze wilden precies weten wat voor soort magnetische ruis er wordt gecreëerd tijdens deze transformatie en hoe deze evolueert terwijl het materiaal wordt schoongemaakt.

Om deze onzichtbare magnetische verstoringen te zien, gebruikten de onderzoekers een techniek genaamd dubbele elektron-elektron resonantie. Stel je voor dat je probeert een fluistering te horen in een overvolle kamer; je kunt niet alleen naar de kamer luisteren, je moet een specifiek signaal uitzenden dat interageert met de mensen die je wilt horen. In dit experiment fungeren de stikstof-vacature-centra als de gevoelige luisteraars. De onderzoekers sturen een puls van microgolven om de spins van de omliggende magnetische defecten om te keren, en door te kijken naar hoe de stikstof-vacature-centra reageren op deze omkering, kunnen ze in kaart brengen wat er precies om hen heen is en hoeveel er van zijn. Deze methode stelde hen in staat om in de diamant te kijken met een resolutie die veel fijner is dan traditionele instrumenten, waarbij ze individuele lagen van het kristal konden zien en de defecten met hoge precisie konden tellen.

Voordat de diamant ooit door elektronen werd geraakt, was de belangrijkste bron van magnetische ruis simpelweg stikstofatomen die tijdens de groei in het kristal waren gevangen. Deze atomen, bekend als P1-centra, waren de dominante achtergrondruis, en de onderzoekers bevestigden dat hoe meer van hen aanwezig waren, hoe korter de tijd dat de sensor zijn focus kon behouden. Echter, zodra de diamant werd gebombardeerd met hoogenergetische elektronen, veranderde de situatie drastisch. De bombardementen sloegen atomen uit hun plaats, waardoor een zwerm van nieuwe defecten ontstond. De onderzoekers detecteerden een sterk nieuw signaal, dat ze een "X"-ensemble noemden. Aanvankelijk vermoedden ze dat dit signaal uitsluitend kwam van ontbrekende koolstofatomen, ook wel vacanties genoemd. Maar terwijl ze het materiaal veranderden zagen, realiseerden ze zich dat het verhaal complexer was.

Door de diamant in stappen te verhitten, van 650 graden Celsius tot 1200 graden Celsius, zag het team het X-signaal transformeren. Ze ontdekten dat dit initiële signaal niet slechts één ding was, maar een mengsel. Het begon als een combinatie van ontbrekende koolstofatomen en extra atomen die in de gaten tussen de reguliere kristalplaatsen zijn gepropt, ook wel interstitialen genoemd. Wanneer de diamant werd verhit tot 650 graden, verdwenen de gepropten atomen, waardoor alleen de ontbrekende plaatsen overbleven. Naarmate de hitte verder toenam, begonnen deze ontbrekende plaatsen te dwalen en aan elkaar te plakken, waardoor paren en kleine clusters ontstonden. Deze clusters bleven bestaan tot de temperatuur 1000 graden bereikte, en uiteindelijk, bij 1200 graden, verdwenen de meeste van hen of stabiliseerden ze zich in een stabiele, stille staat. De onderzoekers ontdekten dat de gepropten atomen, die vroeg verdwenen, eigenlijk de meest verstorende factor waren voor de prestaties van de sensor, omdat ze zorgden voor een scherpe daling in het vermogen om een magnetische focus vast te houden. Deze bevinding corrigeerde een langgekoesterde aanname dat de ontbrekende atomen de hoofdschuldige waren, en toonde aan dat de chaotische mix die direct na bestraling ontstaat, de werkelijke bron van het probleem is.

Het team ontdekte ook een verborgen laag van complexiteit met betrekking tot waterstof. In diamanten die zijn gegroeid met een hoge ratio van waterstof- tot koolstofgas, vonden ze zwakke, aanvullende signalen die niet overeenkwamen met de standaard defecten. Door de fijne details van deze signalen te analyseren, identificeerden ze twee specifieke soorten waterstofgerelateerde defecten: één waarbij een waterstofatoom alleen in het kristal zit, en een andere waarbij een waterstofatoom direct naast een stikstof-vacature-centrum vastzit. Deze waterstofonzuiverheden, die vaak over het hoofd worden gezien, voegen hun eigen subtiele ruis toe aan het systeem. De onderzoekers toonden aan dat de hoeveelheid van deze waterstofdefecten direct afhankelijk was van de condities die werden gebruikt om de diamant te groeien, wat bewijst dat het productieproces zelf deze zaden van ruis plant.

Het uiteindelijke doel van dit werk is om een heldere kaart te bieden voor het maken van betere kwantumsensoren. De onderzoekers bouwden een model dat uitlegt hoe elk type defect — van de oorspronkelijke stikstof tot de door bestraling geïnduceerde clusters en de waterstofonzuiverheden — bijdraagt aan de magnetische ruis. Ze ontdekten dat de ruis niet slechts een eenvoudige som van delen is, maar een dynamisch landschap waar verschillende defecten op verschillende stadia van het proces domineren. Door dit landschap te begrijpen, kunnen ingenieurs nu de groeitemperatuur, de elektronbestraling en het verwarmingsschema aanpassen om specifiek de meest verstorende defecten aan te pakken en te verwijderen. Het resultaat is een diamant die is verfijnd tot een punt waarop zijn interne magnetische omgeving zo stil is als de natuurkunde toelaat, waardoor de prestaties van deze sensoren naar hun theoretische limieten worden gedreven. Dit werk gaat verder dan alleen het maken van meer sensoren; het biedt het blauwdruk voor het creëren van de perfecte omgeving waarin zij kunnen bestaan, om ervoor te zorgen dat de diamant zelf de delicate metingen die hij is ontworpen om te nemen, niet verstoort.