Sićušne nepravilnosti u dijamantu poslužile su istraživačima u Japanu kao senzori za mjerenje sila unutar kristala. Izmjerili su kako se oko jedne kristalne nepravilnosti raspoređuje mehaničko naprezanje i dobili kartu koja se dobro slaže s predviđanjem teorije elastičnosti starim više od 80 godina.
Takeyuki Tsuji, Shunta Harada i Tokuyuki Teraji u radu objavljenom u časopisu Applied Physics Letters opisuju kako su izmjerili četiri veličine kojima se opisuje lokalno mehaničko naprezanje. Njihov je cilj bolje razumjeti kako se oko dislokacija, nepravilnosti u rasporedu atomskih redova, raspoređuju unutarnje sile u materijalu.
To je važno za laboratorijski uzgojene dijamante koji se istražuju za elektroničke uređaje i kvantne tehnologije. Za takvu je primjenu važna i pravilnost unutarnje građe kristala. Nepravilnosti u njegovoj unutrašnjosti mogu promijeniti mehanička, električna i druga svojstva, a kvalitetu uzgoja teško je poboljšavati bez pouzdanog mjerenja tih učinaka.
Jedna nepravilnost mjeri učinak druge
Atomi ugljika u dijamantu tvore pravilnu kristalnu rešetku. Dislokacija je linijska pogreška u tom rasporedu, oko koje se susjedni dijelovi rešetke deformiraju. Ona stvara polje naprezanja: unutarnje sile raspoređene su drukčije na različitim mjestima i ovise o smjeru koji promatramo.
Takvo se naprezanje ne može potpuno opisati jednim brojem, kao pri očitanju tlaka. Fizičari zato koriste tenzor naprezanja, skup veličina koje opisuju sile po jedinici površine u različitim smjerovima. Normalne komponente djeluju okomito na promatranu plohu, a smične usporedno s njom i nastoje pomaknuti susjedne slojeve jedan uz drugi.
Tim je za mjerenje iskoristio NV-centre. Svaki takav centar čine atom dušika na mjestu ugljikova atoma i susjedno prazno mjesto u rešetki. Spin elektrona, kvantno svojstvo osjetljivo na okolinu, omogućuje da takav centar posluži kao senzor. Promjena naprezanja mijenja frekvencije na kojima reagira na mikrovalni signal.
Ti se pomaci mogu očitati svjetlošću. Kada ih pobudi laser, NV-centri emitiraju svjetlost. Pri odgovarajućoj mikrovalnoj frekvenciji mijenja se jakost te svjetlosti. Mjerenjem te promjene istraživači određuju rezonantne frekvencije i iz njih izvode podatke o lokalnom naprezanju.
Četiri orijentacije daju različita očitanja
NV-centri u dijamantu mogu biti usmjereni u četiri kristalografska smjera. Zbog toga na isto polje naprezanja ne reagiraju svi jednako. Usporedba frekvencijskih pomaka omogućila je timu da zasebno odredi nekoliko komponenti naprezanja.
Za pokus su uzgojili tanki dijamantni sloj kemijskim taloženjem iz plinovite faze, postupkom poznatim kao CVD. Upotrijebili su ugljik obogaćen izotopom ugljik-12, a količinu dušika prilagodili su kako bi dobili dovoljno snažnu fluorescenciju i zadržali svojstva potrebna za precizno mjerenje spina.
Odabrali su područje u kojem naprezanje uglavnom potječe od jedne dislokacije tipa 45 stupnjeva. Konfokalnim mikroskopom i nizovima mikrovalnih impulsa pratili su promjene u njezinoj okolini. U dostupnoj verziji rada na arXivu opisano je mjerenje područja veličine osam puta osam mikrometara, podijeljenog u mrežu od stotinu točaka.
Rekonstruirali su tri smične komponente naprezanja i zbroj triju normalnih komponenti. Tako su dobili četiri veličine koje opisuju naprezanje; svih šest neovisnih komponenti tenzora nisu izmjerili zasebno. Izmjerene vrijednosti i njihov raspored oko dislokacije dobro su se podudarali s teorijskim proračunom.
Preciznija karta za bolji kristal
U ovom su pokusu postigli mjernu pogrešku od približno jednog megapaskala. U usporedbi s ranijim trodimenzionalnim mjerenjem istog tima, u kojem je pogreška iznosila oko deset megapaskala, to je približno deseterostruko poboljšanje. Manja pogreška omogućila im je da razluče suptilnije promjene naprezanja.
Prednost nove metode jest u tome što precizno očitanje frekvencija povezuje s kartom naprezanja oko pojedinačne nepravilnosti. Za usporedbu s drugim tehnikama važno je i na kojoj dubini mjere te koje komponente naprezanja mogu odrediti.
Izmjerene podatke istraživači su usporedili s teorijskim rasporedom naprezanja te iz njih procijenili elastična svojstva dijamanta. Dobivene vrijednosti bile su u skladu s ranijim podacima za taj materijal. Pokus tako podupire teorijsko predviđanje o rasporedu naprezanja oko takve dislokacije.
Takve bi karte mogle pomoći u procjeni kako uvjeti uzgoja utječu na unutarnju kvalitetu dijamanta. Uz položaj nepravilnosti, moguće je izmjeriti i naprezanje koje ona stvara u okolini te usporediti kristale dobivene različitim postupcima.
