Алмазный зонд измеряет сверхбыстрые электрические поля с фемтосекундной точностью

Концепция электрооптической наноскопии. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-63936-8

Исследователи из Университета Цукубы успешно измерили электрические поля вблизи поверхностей двумерных слоистых материалов с фемтосекундным временным и нанометровым пространственным разрешением. Они использовали алмаз, содержащий азотно-вакансионный центр — дефект кристаллической решётки — в качестве зонда в атомно-силовом микроскопе, что позволило достичь атомарной пространственной точности.

Когда азот встраивается в кристалл алмаза в качестве примеси, отсутствие соседнего атома углерода образует азотно-вакансионный (NV) центр. Приложение электрического поля к алмазу с NV-центрами изменяет его показатель преломления — явление, известное как электрооптический эффект. Примечательно, что этот эффект не наблюдается в чистом алмазе.

В предыдущей работе исследовательская группа использовала фемтосекундный лазер для обнаружения колебаний решётки в алмазе с высокой чувствительностью, измеряя электрооптический эффект в высокочистом алмазе, содержащем NV-центры. Эти результаты продемонстрировали, что алмаз может выступать в роли сверхбыстрого электрооптического кристалла и служить зондом — так называемым алмазным NV-зондом — для измерения электрических полей.

Изготовление алмазного NV-зонда. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-63936-8

Для нового исследования, опубликованного в Nature Communications, исследователи объединили сверхбыстрый электрооптический эффект алмазных NV-центров с атомно-силовой микроскопией, чтобы разработать пространственно-временной микроскоп, способный измерять локальную динамику электрических полей с фемтосекундным временным и нанометровым пространственным разрешением.

Используя этот подход, они успешно зафиксировали электрические поля вблизи поверхности образца диселенида вольфрама (WSe₂) — двумерного слоистого материала — с временным и пространственным разрешением лучше 100 фс и 500 нм соответственно.

Благодаря чувствительности NV-центра к спиновым состояниям и тепловым колебаниям, этот алмазный зонд обладает потенциалом не только для детектирования электрических полей, но и для наномасштабного магнитного и теплового зондирования.

Фемтосекунда — это одна миллионная от одной миллиардной доли секунды. Для сравнения, за одну фемтосекунду свет, движущийся со скоростью 300 000 км/с, успевает преодолеть расстояние всего лишь около 0,3 микрона, что сравнимо с размером мельчайших бактерий.