В алмазах обнаружены неожиданные наноскопические «ловушки» тепла

Алмаз, известный как лучший природный проводник тепла, на атомном уровне способен на короткое время удерживать тепло неожиданным образом. Это открытие может повлиять на разработку алмазных квантовых технологий, включая сверхточные сенсоры и квантовые компьютеры.

Образец алмаза с дефектом Ns:H-C0. Разная окраска указывает на различное содержание дефектов при УФ-освещении. Автор: Junn Keat / Университет Уорика.

Исследователи из Университета Уорика обнаружили, что при возбуждении светом определённых молекулярных дефектов в алмазе возникают крошечные, короткоживущие «горячие точки», которые на мгновение искажают окружающую кристаллическую решётку. Эти искажения длятся лишь несколько триллионных долей секунды, но этого достаточно, чтобы повлиять на поведение дефектов, важных для квантовых технологий.

«Обнаружение горячего основного состояния у молекулярного дефекта в алмазе стало для нас крайне неожиданным, — пояснил профессор Джеймс Ллойд-Хьюз. — Алмаз — лучший теплопроводник, поэтому можно было ожидать, что транспорт энергии предотвратит такой эффект. Однако на наноуровне некоторые фононы — пакеты колебательной энергии — задерживаются рядом с дефектом, создавая миниатюрную горячую среду».

(a) Возбуждение и релаксация дефекта в кристалле алмаза. (b) Рассчитанные энергии колебательных мод. (c) Концентрация после отжига. Автор: Physical Review Letters (2025).

Учёные изучали конкретный атомный дефект, где атом азота заменяет углерод и связан с водородом (дефект Ns:H-C0). При возбуждении связи C–H ультракороткими инфракрасными лазерными импульсами тепло не рассеивалось мгновенно. Вместо этого дефект кратковременно переходил в «горячее основное состояние», а его инфракрасный сигнал смещался.

Для исследования впервые применили технику многомерной когерентной спектроскопии (2DIR). «Прямое наблюдение образования горячего основного состояния превзошло наши ожидания», — отметил доктор Джунн Кит.

Энергия рассеивается через генерацию специфических фононов, которые плохо распространяются, создавая вокруг дефекта микропузырёк тепла.

«Мгновенный локальный нагрев имеет значение, потому что дефекты — это крошечные, чувствительные квантовые системы, и даже мимолётные изменения в их окружении могут повлиять на стабильность и полезность в квантовых технологиях», — добавил доктор Цзяхуэй Чжао.

Такие дефекты, как азотно-вакансионные (NV) и кремний-вакансионные (SiV) центры, служат основой для квантовых сенсоров и процессоров. Их производительность зависит от стабильности спиновых состояний, на которые влияют колебания решётки. Новые данные показывают, что оптические методы управления дефектами могут невольно создавать кратковременные очаги тепла, способные нарушить когерентность и работу устройств.

Больше информации: Terng Junn Keat et al, Hot-Phonon-Induced Distortion of Diamond Defects on Ultrafast Timescales, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/mvdf-bdrx

Источник: University of Warwick