Синтетические алмазы имеют квантовый эффект
FEBRUARY 21, 2023 |
Лабораторные технологии: химические свойства выращенных камней стимулируют прогресс в вычислительной технике, устойчивой энергетике и других новых областях.
Синтетические алмазы существуют уже более 70 лет. Исторически сложилось так, что твердость и долговечность материала подходили для промышленных применений, таких как сверление и резка в автомобильном и аэрокосмическом секторах. Тем не менее, достижения в методах выращивания алмазов, особенно химического осаждения из паровой фазы (CVD), теперь позволяют ученым использовать эти алмазы для более тонких целей, включая решения для теплового охлаждения, безграничные батареи и компьютеры квантового класса.
Важно отметить, что методы выращивания CVD дают производителям наноразмерный контроль дефектов в структуре углеродной решетки алмаза. Это позволяет новым компаниям «использовать квантовые свойства, которые могут разблокировать новый спектр датчиков и безопасную связь», — говорит Даниэль Твитчен, главный технолог подразделения De Beers Element Six, которое производит синтетические алмазы и суперматериалы.
Удачные дефекты
Более 15 лет назад исследователи обнаружили, что некоторые дефекты в редких природных алмазах, таких как азотно-вакантные центры, обладают желательными квантовыми свойствами. Element Six создает выращенные в лаборатории алмазы с высокой концентрацией этих точных квантовых дефектов для компаний, которые в них нуждаются, будь то для телекоммуникаций, медицинской диагностики или окислительных клеток, которые обрабатывают органические отходы в воде. Последняя инновация компании — DNV-B14 — это тип алмаза, который можно «контролировать и манипулировать при комнатной температуре, что позволяет использовать некоторые из странных свойств квантовой механики, таких как принципы запутанности и суперпозиции», — говорит Твитчен.
Синтетика имеет и другие полезные черты. «Свойства алмаза являются экстремальными», — отмечает Льюис Фиш, руководитель отдела продуктов британского специалиста по лазерным технологиям Opsydia. «Он имеет более высокую теплопроводность, чем металлы, такие как серебро и медь, обеспечивает сильную радиационную стойкость и не реагирует с большинством химических веществ».
В настоящее время Opsydia разрабатывает прецизионные лазерные процессы, которые могут создавать устройства на основе алмазов. Например, они могут вырезать трехмерные массивы электронных схем внутри алмаза для использования, среди прочего, в химическом анализе. «Алмазные датчики могут выдерживать суровые химические условия без негативного влияния на измерения», — уточняет Фиш.
Конечно, полагаться на редкие, ценные и непредсказуемые по размеру природные алмазы для этого типа экспериментов нецелесообразно. Синтетика обеспечивает возможности для разведки.
Новый вид батареи
Выращенные в лаборатории алмазы также играют определенную роль в устойчивых технологиях. Одним из примеров является компания NDB из Сан-Франциско, которая стремится «переопределить природу батареи», по словам генерального директора Нимы Голшарифи. Название компании расшифровывается как Nano Diamond Battery, и ее продукт «генерирует электричество, аналогичное солнечному элементу», объясняет он. «Но вместо солнечного света он использует излучение от радиоактивного распада. Благодаря этому NDB не зависит от климата и может бесперебойно обеспечивать энергию».
Процесс включает в себя улавливание остатков ядерных отходов внутри крошечных синтетических алмазов и использование полученного излучения для питания телефонов и автомобилей. Все это можно сделать безопасно, считают в компании, которая рассчитывает иметь рабочий прототип в этом году.
Ювелирная наука
Хотя такие фирмы, как NDB, работают в другой сфере, чем ювелиры с синтетическими бриллиантами, оба типа бизнеса способствуют дальнейшему развитию технологии CVD и, как следствие, тенденции к снижению цен на камни.
«В 2018 году стоимость производства синтетических алмазов снизилась с $2,4 млн за килограмм до примерно $40 000 за килограмм», — сообщает Гольшарифи. «С развитием технологий мы ожидаем снижения цен в ближайшем будущем, что сделает нашу технологию еще более привлекательной».
Element Six предлагает еще одно доказательство того, что выращивание промышленных алмазов идет рука об руку с созданием камней ювелирного качества. Например, бренд De Beers Lightbox Jewelry появился, когда компания применила запатентованную технологию CVD Element Six к ювелирным изделиям с бриллиантами. «Контроль и уменьшение примесей являются основой превосходных квантовых свойств, а также основой для высокого цвета и чистоты драгоценных камней», — говорит Твитчен. «Удивительно, что те же дефекты, которые делают бриллианты розового цвета, также обладают экстраординарными квантовыми свойствами».
Использование этих дефектов может привести к революционным достижениям в области здравоохранения, безопасности и развлечений, а также к совершенствованию процесса создания разноцветных, выращенных в лаборатории бриллиантовых драгоценностей массового рынка. Поэтому неудивительно, что Twitchen называет алмаз «абсолютным суперматериалом».