Мы используем cookie файлы.
Пользуясь сайтом, вы соглашаетесь с нашей Политикой конфиденциальности.

Номер договора
14.W03.31.0028 , 075-15-2021-623
Период реализации проекта
2018-2022
Приглашенный ученый
с декабря 2022 Семашко Вадим Владимирович Россия

По данным на 01.11.2022

35
Количество специалистов
99
научных публикаций
2
Объектов интеллектуальной собственности
Общая информация

Долгосрочная цель проекта заключается в разработке новых наноразмерных датчиков, элементов квантовых компьютеров и литографических технологий на основе квантовых оптических свойств центров окраски в алмазе. Для достижения этой цели сотрудниками лаборатории исследуется целый ряд центров окраски в алмазе, который вызвал в последние годы большой интерес из-за возможного его применения для наноразмерного зондирования магнитных и электрических полей, температуры, реализации квантовых вычислений при комнатной температуре, а также стабильных флуоресцентных био-маркеров. Результаты исследований ученых могут привести к созданию новых функциональных материалов, имеющих широкий спектр приложений, начиная от высокотемпературных сверхпроводников и заканчивая новыми материалами типа графена, которые можно использовать в солнечных батареях.

Название проекта: Квантовые оптические датчики на алмазах

Цели и задачи

Направление исследований: Функциональные материалы на основе оптических центров в алмазе и оксидах для квантовых технологий и диагностики биологических объектов

Цель проекта: Создание и исследование материалов, перспективных для разработки новых наноразмерных датчиков, элементов квантовых компьютеров и литографических технологий на основе квантовых оптических свойств центров окраски в алмазе

Практическое значение исследования
Научные результаты:

  1. Исследованы различные центры окраски в алмазах и оксидных (нитридных или фторидных) наноматериалах, перспективных для флуоресцентной термометрии биологических объектов, а также для регистрации магнитных и электрических полей на нанометрическом масштабе.

  2. Предложена и апробирована методика легирования алмаза примесью кремния и фосфора. Показано, что величина отношения NV-/NV0 в образце, сильно легированном фосфором, по сравнению с образцом без примеси фосфора возрастает более, чем в 25 раз. Это имеет важное значение для целого ряда практических приложений, например, для увеличения сигнала ОДМР и/или возможности возбуждения отрицательных NV- центров более длинноволновым оптическим излучением.

  3. Методом плазменной иммерсионной ионной имплантации в алмаз типа Ib получен плотный неглубокий слой NV-центров (глубина залегания не превышает 3.6 нм), который является оптимальным для применений в области измерения магнитного поля в наномасштабе.

  4. Определены температурные зависимости параметров спектров фотолюминесценции таких центров окраски в алмазе, как: SiV-, GeV- и SnV-центры, которые могут возбуждаться в окне биологической прозрачности. Показано, что их можно использовать для прецизионного измерения температуры.

  5. Проведены измерения автокорреляционной функции поля излучения одиночных центров окраски в алмазе и регистрации флуоресценции одиночных центров с помощью суженных волокон. Выполнено численное моделирование, демонстрирующее возможность реализации сильной связи между одиночным центром окраски и модой суженного оптического волокна.

  6. Создан квантовый температурный датчик с разрешением 20 мК/Гц для регистрации двумерных тепловых изображений с пространственным разрешением 25 мкм. Он не требует микроволнового возбуждения и сохраняет точность и разрешение в значимом для получения тепловизионных изображений in vivo диапазоне температур.

  7. Создан новый многоразовый люминесцентный температурный датчик с чувствительностью 5.4 мс К-1 времени затухания люминесценции в диапазоне 270-370 К. Эксперименты показали, что он устойчив к негативному воздействию кислорода и УФ–излучения. Сильная люминесценция датчика возбуждается облучением в диапазоне длин волн 280-425 нм.

  8. Реализован эффект когерентного пленения населенности в ансамблях NV-центров в алмазе в условиях антипересечения уровней основного состояния при наложении сильного внешнего магнитного поля.

  9. Предложен и апробирован метод контроля угла между осями кристалла алмаза с NV-центрами и внешним магнитным полем на основе кросс-релаксационных резонансов. Разработан модифицированный протокол измерения магнитных полей без использования микроволнового излучения.

  10. Используя гель-технологии, осуществлен синтез апконверсионных наночастиц YVO4: Yb, Er. Перспективность применения наночастиц в качестве апконверсионных зондов в задачах оптогенетики и биовизуализации показана в экспериментах на виноградных улитках, где изучалось распределение наночастиц по различным органам животного после инъекции.

  11. Впервые получены данные, характеризующие скорость естественного выведения инъецированных апконверсионных наночастиц YVO4: Yb, Er из организма виноградной улитки. Полученные результаты указывают на низкую токсичность наночастиц и открывает широкие возможности их применения в качестве малоинвазивных наноразмерных зондов в флуоресцентной спектроскопии биологических объектов in vivo.

  12. Синтезированы наночастицы YLiF4: Er, Yb, апконверсионная люминесценция которых реагирует на электрическое поле. Показано, что данные биосовместимые наночастицы можно использовать для зондирования электрических полей в различных биологических системах.

  13. Апконверсионные наночастицы YLiF4: Er-Yb были успешно прикреплены к последовательностям РНК коронавируса COVID-19 и модельным комплементарным РНК через промежуточный белок биотин. Данные эксперименты открывают широкие возможности для создания различных биологических тест-систем.

  14. В образцах алмазов с имплантированной примесью германия после возбуждения образцов импульсом фемтосекундного лазера на длине волны 257 нм обнаружена сильная (видная невооруженным глазом) фосфоресценция в спектральной области 480-530 нм. Установлено, что характерное время в динамике спада фосфоресценция в имплантированных германием алмазах превышает единицы минут. Реализован эффект электромагнитно индуцированной прозрачности в ансамблях GeV центров в алмазе.

  15. Легированные бором наноалмазы применены для локального нагревания среды. Эти эксперименты интересны для развития методов гипертермии и термоабляционной терапии. Помимо этого, показана возможность изменения температуры в биологическом диапазоне с чувствительностью 250 мК/√Гц. Таким образом, созданы многообещающие биозонды двойного назначения, которые также можно использовать и в задачах квантового зондирования, включая магнитное зондирование.

  16. Обнаружен эффект температурной памяти в пленочном материале на основе β-дикетонатных комплексов европия (III). Он заключается в способности пленки находиться в разных состояниях при одной и той же температуре. Полученные результаты открывают широкие перспективы в создании люминесцентных фотонных материалов нового типа с функцией памяти.

Внедрение результатов исследования:

  • Создан экспериментальный стенд на основе конфокального микроскопа и спектрометра, позволяющий регистрировать спектры люминесценции от выбранной области исследуемого объекта (алмазов, оксидов, фторидов и др.) с субмикронным разрешением в широком температурном интервале (от 4 до 400 К) при возбуждении диодными лазерами (525 нм, 532 нм, 635 нм и 980 нм). На стенде также можно измерять корреляционные характеристики излучения образцов с субмикронным разрешением с помощью детекторов одиночных фотонов и светоделителей.
  • В рамках потребительской задачи получения наноразмерных алмазов с различными центрами окраски изготовлена алмазная наковальня с рабочей ячейкой из материала инконель, позволяющая создавать давление более 60 ГПа и выдерживать температуры 500 оС и выше.
  • В настоящее время ведутся переговоры с индустриальными партнерами: ООО НПО «КвинтТех» (Москва, Зеленоград) и ООО «Метрика-Б» (Казань) о совместной разработке и внедрение результатов исследования. Промышленные партнеры заинтересовались возможностью использования полученных нами наносенсоров в выпускаемой ими продукции. В частности, в терминалах, обеспечивающих техническое зрение и распознавание образов.

Образование и переподготовка кадров:

Сотрудники лаборатории разработали 2 новых курса лекций для Казанского федерального университета (КФУ) и 2 блока лабораторных работ для Университета Иннополис (респ. Татарстан). Издано 1 учебное пособие. Проведено две научные школы для молодых ученых, а также стажировка 1 аспиранта из Турции. Под руководством сотрудников лаборатории защищено 4 магистерских диссертации. 3 сотрудника защитили диссертации и получили ученую степень кандидата физико-математических наук.

Организационные и инфраструктурные преобразования:

Лаборатория квантовой оптики в алмазах стала основой Центра квантовых оптических и спиновых технологий в Федеральном исследовательском центре «Казанский научный центр Российской академии наук» (ФИЦ КазНЦ РАН).

Сотрудничество:

  • Техасский A&M университет (США): совместные исследования и публикации.
  • Город науки и техники короля Абдулазиза (Саудовская Аравия): совместные эксперименты и исследования, стажировки молодых учёных, совместные публикации.
  • Технический университет Гебзе (Турция): совместные исследования, стажировки молодых учёных и аспирантов, гранты и публикации.
  • Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению (Беларусь): совместные исследования, гранты и публикации.
  • Институт ядерных проблем Белорусского государственного университета (Беларусь): совместные исследования, гранты и публикации.
  • Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук (Россия): совместные эксперименты и исследования, гранты и публикации.
  • Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова (Россия): совместные исследования и научные мероприятия.

Скрыть Показать полностью
M.H. Alkahtani, F. Alghannam, L. Jiang, A. Almethen, A.A. Rampersaud, R. Brick, C.L. Gomes, M.O. Scully, Ph.R. Hemmer
Fluorescent nanodiamonds: past, present, and future, Nanophotonics, 2018, август, (7, 8). https://doi.org/10.1515/nanoph-2018-0025
O.N. Lopatin, A.G. Nikolaev, V.F. Valeev, V.I. Nuzhdin, R.I. Khaibullin
Crystal-Chemical Features of Diamonds Implanted with Helium Ions, Crystallography Reports, 2018, июнь (63, 3). https://doi.org/10.1134/S1063774518030161
A. Kalachev, A. Berezhnoi, P. Hemmer, O. Kocharovskaya
Raman quantum memory based on an ensemble of silicon-vacancy centers in diamond. Laser Physics, 2019, сентябрь (29, 10). https://doi.org/10.1088/1555-6611/ab4049
R.A. Akhmedzhanov, L.A. Gushchin, N.A. Nizov, V.A. Nizov, D.A. Sobgayda, I.V. Zelensky & P. Hemmer
Magnetometry by cross relaxation resonance detection in ensembles of NV centers. Physical Review A, 2019, октябрь (100, 4). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.100.043844
R. Zaripov, Yu. Kandrashkin, K. Salikhov, B. Büchner, F. Liu, M. Rosenkranz, A. Popov, V. Kataev
Unusually large hyperfine structure of the electron spin levels in an endohedral dimetallofullerene and its spin coherent properties. Nanoscale, 2020, сентябрь (12, 39). http://dx.doi.org/10.1039/D0NR06114J
D.K. Zharkov, A.G.Shmelev, A.V.Leontyev, V.G. Nikiforov, V.S. Lobkov, M.H. Alkahtani, P.R. Hemmer, V.V. Samartsev
Light converted Yb3+/Er3+ doped YVO4 nanoparticles for biological applications. Laser Physics Letters, 2020, июнь, (17, 7). https://doi.org/10.1088/1612-202X/ab9115
O.R. Rubinas, V.V. Soshenko, S.V. Bolshedvorskii, A.I. Zeleneev, A.S. Galkin, S.A. Tarelkin, S.Y. Troschiev, V.V. Vorobyov, V.N. Sorokin, A.A. Sukhanov, V.G. Vins, A.N. Smolyaninov, A.V. Akimov
Optimization of the coherence properties of diamond samples with an intermediate concentration of NV centers, Results in Physics, 2021, февраль (21, ) https://doi.org/10.1016/j.rinp.2021.103845
D.B. Radishev, M.A. Lobaev, S.A. Bogdanov, A.M. Gorbachev, A.L. Vikharev, M.N. Drozdov
Investigation of NV Centers Charge States in CVD Diamond Layers Doped by Nitrogen and Phosphorous, Journal of Luminescence, 2021, август (239, ). https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2021.118404
D.V. Lapaev, V.G. Nikiforov, V.S. Lobkov, A.A. Knyazev, Yu.G. Galyametdinov
A reusable and self-recoverable vitrified film of an anisometric europium(III) β-diketonate complex with UV light-responsive Eu3+ emission, Journal of Photochemistry & Photobiology, A: Chemistry, 2022, май (427, ). https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2022.113821
M. Alkahtani, D.K. Zharkov, A.V. Leontyev, A.G. Shmelev, V.G. Nikiforov, P.R. Hemmer
Lightly Boron-Doped Nanodiamonds for Quantum Sensing Applications, Nanomaterials, 2022, февраль (12, 4). https://doi.org/10.3390/nano12040601
A.G. Shmelev, V.G. Nikiforov, D.K. Zharkov, V.V. Andrianov, L.N. Muranova, A.V. Leont’ev, Kh.L. Gainutdinov, V.S. Lobkov, M.H. Alkahtani, Ph.R. Hemmer
Monitoring of the Natural Excretion of YVO4:Yb, Er Upconversion Nanoparticles from a Land Snail, Technical Physics, 2022, август (67, 4). https://doi.org/10.1134/S1063784222050097
Фотоальбомы
Понедельник , 20.01.2020
Среда , 04.12.2019
Другие лаборатории и ученые
Лаборатория, принимающая организация
Область наук
Город
Приглашенный ученый
Период реализации проекта
Лаборатория ультра широкозонных полупроводников

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» - (НИТУ МИСиС)

Технологии материалов

Москва

Кузнецов Андрей Юрьевич

Швеция

2022-2024

Лаборатория ионоселективных мембран

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова - (МГУ)

Технологии материалов

Москва

Амедюри Брюно Мишель

Франция

2022-2024

Лаборатория нейроэлектроники и мемристивных наноматериалов

Южный федеральный университет - (ЮФУ)

Технологии материалов

Таганрог

Пак Бэ Хо

Корея

2022-2024