Дослідники з Національного інституту матеріалознавства Японії під керівництвом Токуюкі Терадзі безпосередньо виміряли та візуалізували поля напружень навколо мікроскопічних дефектів кристалічної ґратки алмазу — і тим самим підтвердили класичну теоретичну модель, сформульовану ще в 1940-х роках.

Група дослідників із Національного інституту матеріалознавства Японії під керівництвом Токуюкі Терадзі здійснила пряме картування полів напружень навколо атомних дефектів у алмазі. Результати опубліковані у виданні Applied Physics Letters.

Будь-які реальні кристали, зокрема й алмаз, містять атомні дефекти — ділянки, де сусідні ряди атомів зміщені один відносно одного. Ці дефекти створюють локальні поля напружень, що поширюються крізь кристалічну ґратку й суттєво впливають на механічні, електричні та магнітні властивості матеріалу. Ще в 1940-х роках фізики розробили математичний апарат на основі теорії пружності — так званий тензор напружень, що описує це явище. Однак інструментів, здатних локально вимірювати такі слабкі й мікроскопічні поля, досі не існувало, тож теорія залишалася без безпосереднього практичного підтвердження.

Для вирішення цієї проблеми команда використала азотно-вакансійні центри — так звані NV-центри — безпосередньо в алмазі як надчутливі квантові датчики. NV-центр утворюється, коли атом вуглецю в кристалічній ґратці заміщується атомом азоту, розташованим поруч із вакансією — порожнім вузлом ґратки. Спінові стани цих центрів є чутливими до зовнішнього механічного тиску та напрямку напруження.

Для експерименту вчені виростили методом хімічного осадження з газової фази високоякісну алмазну плівку, збагачену виключно ізотопом вуглецю-12, що дозволило зберегти когерентність квантових станів. Використовуючи конфокальний мікроскоп і мікрохвильові імпульси, фізики виміряли резонансні частоти флуоресценції NV-центрів у чотирьох можливих просторових орієнтаціях. Точність вимірювань склала до 1 мегапаскаля — приблизно в 10 разів вища, ніж у традиційних методів аналізу.

Отримані результати показали симетричний розподіл тиску навколо одиничної дислокації під кутом 45 градусів, що повністю збіглося з розрахунками теоретичного тензора напружень.

За оцінкою авторів дослідження, можливість точного аналізу локальних напружень дозволить оптимізувати процеси вирощування штучних алмазів, мінімізувати дефекти та створювати силові напівпровідники, сенсори й квантові процесори нового покоління.