Алмазные дефекты оказались отличными термометрами

Физики из Института Люмьера Матьера и Физического института Чешской академии наук разработали новый микротермометр, позволяющий измерять температуру с точностью до одного градуса в интервале температур от -153 до 627 градусов Цельсия. Его основой стали искусственные алмазы с особыми внутренними дефектами. Работа опубликована в журнале Applied Physics Letters, а кратко ознакомиться с ней можно в заметке журнала Science.

В новой работе авторы воспользовались способностью дефектов в алмазах к люминесценции под действием ультрафиолетового излучения. Одной из важнейших характеристик люминесценции является время жизни возбужденного состояния — от него напрямую зависит продолжительность свечения после выключения возбуждающего лазера. Физики изучали, как меняется время жизни люминесценции микроразмерных алмазов с особыми дефектами, называемыми S3-центрами. Такие дефекты возникают при включении в кристаллическую решетку алмаза атомов никеля и светятся зеленым светом.

Оказалось, что время жизни люминесценции при изменении температуры от 120 до 900 кельвинов плавно меняется на три порядка от 0,3 миллисекунды до 0,1 микросекунды соответственно. По словам авторов, снять температурные показания можно с области размером всего 5 микрометров в диаметре, причем за одну секунду можно провести до 100 таких измерений с точностью один градус.

Важно отметить, что измерения проводятся бесконтактным методом, то есть частицы алмазов можно поместить на поверхность изучаемого образца и лишь подсвечивать короткими импульсами возбуждающего лазера с некоторого расстояния. 

Авторы отмечают, что разработанный ими сенсор не уникален. 31 декабря 2014 года вышла статья ученых Физического факультета МГУ имени Ломоносова, предложивших термометр на основе азотных вакансий в микрокристаллических алмазе. Группе Ильи Федотова удалось добиться точности измерений в 0,1 градуса при одном измерении в секунду, и точности единичного измерения в 0,02 градуса, но с меньшим разрешением — порядка четверти миллиметра.