Forskare har upptäckt ett nytt sätt att justera kvantegenskaperna hos små defekter i diamant – genom att försiktigt sträcka ut eller komprimera kristallen. Dessa upptäckter kan bana väg för nästa generations sensorer som kan detektera tryck, temperatur och andra fysiska förändringar med oöverträffad precision.
Defekter i diamant, så kallade ”färgcentra”, används i allt större utsträckning inom kvantteknik, bland annat i ultrakänsliga sensorer och nya kvantkommunikationssystem. Bland dessa utmärker sig kiselvakanscentret (SiV) genom sin exceptionellt stabila och starka ljusemission, vilket gör det till en lovande byggsten för kvantapparater.
Undersökning av defekter under mekanisk påfrestning
Ett internationellt forskarteam under ledning av forskare från Singapore University of Technology and Design (SUTD) och Yangzhou University i Kina undersökte hur dessa SiV-centra reagerar när det omgivande diamantgitteret komprimeras eller sträcks ut.
Med hjälp av avancerad datormodellering utforskade teamet systematiskt hur defektens atomstruktur och optiska signaler utvecklas under olika mekaniska förhållanden. Forskningen är publicerad i tidskriften Applied Physics Letters.
Från strukturell övergång till avkänningspotential
Deras resultat avslöjar ett överraskande rikt beteende. När diamanten komprimeras förblir defekten stabil och behåller sin ursprungliga symmetri. Men när den sträcks ut över en kritisk tröskel – cirka 4 % expansion – genomgår defekten en strukturell omvandling, bryter sin ursprungliga symmetri och antar en ny konfiguration.
Denna övergång är mer än bara en strukturell kuriositet. Den påverkar direkt hur defekten interagerar med ljus. Forskarna fann att viktiga optiska signaturer, inklusive färgen och intensiteten hos det utsända ljuset, förändras på ett jämnt och förutsägbart sätt när materialet utsätts för töjning.
Professor Yunliang Yue från Yangzhou University sa: ”Dessa optiska förändringar fungerar som en inbyggd linjal. Genom att helt enkelt mäta ljuset som avges från defekten kan vi dra slutsatser om hur mycket materialet komprimeras eller sträcks.”
Ett sådant beteende gör SiV-centra mycket attraktiva som sensorer i nanoskala. Eftersom den optiska responsen varierar kontinuerligt med deformationen kan dessa defekter användas för att övervaka tryck eller töjning med extremt hög känslighet – potentiellt på nivån av enskilda nanostrukturer.
Magnetisk respons och kvantmässig mångsidighet
Utöver optiska signaler undersökte studien även defektens magnetiska egenskaper, vilka är viktiga för tekniker som elektronspinnresonans. Dessa egenskaper visade sig också förändras systematiskt med deformationen, vilket erbjuder en ytterligare avkänningskanal och ytterligare förbättrar systemets mångsidighet.
Viktigt är att forskningen ger en mikroskopisk förståelse för varför dessa förändringar inträffar. När diamantgitteret expanderar eller kontraherar modifieras defektens elektronstruktur, vilket i sin tur förändrar hur den interagerar med ljus och magnetfält. Denna insikt hjälper till att överbrygga klyftan mellan grundläggande kvantfysik och praktiska tillämpningar i enheter.
Vägar till framtida kvantteknik
Resultaten tyder på att SiV-centra skulle kunna fungera som robusta och justerbara plattformar för kvantsensorteknologier, särskilt i miljöer där mekanisk deformation spelar en roll – såsom högtrycksfysik, enheter i nanoskala eller avancerade materialsystem.
”Genom att visa hur mekanisk deformation kan styra kvantegenskaperna hos kisel-vakanscentra med precision öppnar vi upp nya möjligheter för att utforma multifunktionella kvantsensorer”, säger Yee Sin Ang, biträdande professor och Kwan Im Thong Hood Choo Temple Early Career Chair-professor vid SUTD.
”Detta arbete ger både grundläggande förståelse och praktisk vägledning för att konstruera kvantdefekter i verkliga tillämpningar.”
Dr Shibo Fang, forskare vid SUTD, tillägger: ”Det som är särskilt spännande är responsens förutsägbarhet. Defekten beter sig på ett mycket kontrollerat sätt under belastning, vilket är precis vad som krävs för tillförlitlig sensorteknik. Vår studie lägger grunden för framtida experiment och integrering i enheter.”
Framöver tror teamet att en kombination av mekanisk kontroll och kvantdefekter kan öppna upp för nya funktioner i kvantkomponenter, inklusive adaptiva sensorer och hybridsystem som reagerar dynamiskt på sin omgivning.
Publikationsuppgifter
Yunliang Yue et al, Effects of hydrostatic compression and tension on silicon-vacancy centers in diamond, Applied Physics Letters (2026). DOI: 10.1063/5.0300210
