Лаборатория «Квантовая оптика в алмазах»

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.

• 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.

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.