تلههای حرارتی نانو مقیاسی شگفتانگیز در الماسها کشف شدند
توسط مت هیگز، دانشگاه وارویک
الماس در علم مواد بهدلیل بهترین هدایتکنندهٔ طبیعی حرارت بر روی زمین شهرت دارد، اما پژوهشهای جدید نشان میدهند که در مقیاس اتمی میتواند بهطور موقت حرارت را بهطرز غیرمنتظرهای در خود نگهدارد. این یافتهها میتوانند بر چگونگی طراحی فناوریهای کوانتومی مبتنی بر الماس توسط دانشمندان تأثیر بگذارند، از جمله حسگرهای فوقدقیق و کامپیوترهای کوانتومی آینده.
چگونه نقصهای الماس حرارت را به دام میگیرند
در مطالعهای که در Physical Review Letters منتشر شد، محققان دانشگاه وارویک و همکاران نشان دادند که هنگام تحریک برخی نقصهای مقیاس مولکولی در الماس با نور، «نقاط گرم» کوچک و کوتاهمدت ایجاد میشود که بهطور موقت کریستال اطراف را دگرگون میکند. این تغییرات تنها چند تریلیونیم ثانیه دوام دارند، اما به اندازهای طولانیاند که بر رفتار نقصهای مرتبط با کوانتم تأثیر بگذارند.
«یافتن حالت پایهٔ گرم برای یک نقص مقیاس مولکولی در الماس برای ما بسیار شگفتانگیز بود»، پروفسور James Lloyd‑Hughes، گروه فیزیک، دانشگاه وارویک گفت. «الماس بهترین هدایتکنندهٔ حرارتی است، بنابراین انتظار میرود که انتقال انرژی از چنین تأثیری جلوگیری کند. اما در مقیاس نانو، برخی فونونها—بستههای انرژی ارتعاشی—در نزدیکی نقص میمانند و محیط گرم میکروسکوپیای ایجاد میکنند که بر خود نقص فشار میآورد.»
تیم یک نقص اتمی خاص در الماس را مطالعه کرد که در آن اتم نیتروژن جایگزین اتم کربن میشود و به هیدروژن پیوند میزند — که بهعنوان نقص Ns:H‑C0 شناخته میشود. هنگامی که پژوهشگران پیوند C‑H این نقص را با پالسهای لیزر مادونقرمز فوقسریع تحریک کردند، انتظار داشتند که حرارت بلافاصله در شبکه الماس بهسرعت پخش شود.
در عوض، طیفسنجی پیشرفته یک اثر جالب را نشان داد: نقص بهطور موقت به حالت پایهٔ «گرم» (بهعبارت دیگر «حالت پایه گرم») وارد شد — به این معنی که کریستال اطراف هنوز گرم بود و نقص تغییر یافت. حضور انرژی ارتعاشی انباشته در نزدیکی، امضای مادونقرمز نقص را به انرژی بالاتر جابهجا کرد؛ این فرآیند چند پیکوثانیه طول کشید تا به اوج برسد و سپس کاهش یابد.
تکنیکهای نوین و پیامدهای آنها
دکتر Junn Keat، پژوهشگر پسادکترا، گروه فیزیک، دانشگاه آکسفورد و فارغالتحصیل دوره دکترا در دانشگاه وارویک گفت: «برای این مطالعه از طیفسنجی همگنی چندبعدی (۲DIR) برای بررسی نقص استفاده کردیم، که به ما امکان جداسازی واکنش نقص تحت نورهای با انرژیهای مختلف را میدهد.»
«این اولین بار است که این تکنیک را برای مطالعه نقصهای الماس به کار بردهایم، و مشاهده مستقیم شکلگیری وضعیت پایهٔ گرم فراتر از انتظارات ما بود. ما از نتایج این رویکرد نوین بسیار خرسندیم و مشتاقیم ببینیم که با این روش چه موارد دیگری میتوانیم بررسی کنیم.»
تیم همچنین توضیح داد که چرا الماس نمیتواند این انرژی را بلافاصله از دست بدهد. نقص انرژی خود را از طریق تولید فونونهای خاص با انرژی بالا آزاد میکند — نوعی ارتعاشات که مسافت کوتاهی طی میکنند. این فونونها بهصورت آهسته حرکت مینمایند و بهسرعت پراکنده میشوند، بهگونهای که حبابی کوچک از حرارت پیرامون نقص ایجاد میشود؛ سپس این فونونها در نهایت به ارتعاشات سریعالتحرک حامل حرارت تجزیه میگردند.
تأثیر بر عملکرد فناوریهای کوانتومی
دکتر Jiahui Zhao، گروه فیزیک، دانشگاه وارویک افزود: «تغییرات حرارتی محلی موقت مهم است، چرا که نقصها سیستمهای کوانتومی ریز و حساسی هستند و حتی تغییرات گذرا در محیط آنها میتواند بر پایداری، دقت و کاراییشان در فناوریهای کوانتومی تأثیر بگذارد.»
نقائصی مانند مراکز نیتروژن‑خلا (NV) و سیلیکون‑خلا (SiV) در الماس بهعنوان حسگرهای حساس و عناصر سازنده پردازش اطلاعات کوانتومی عمل میکنند. عملکرد آنها به حفظ پایداری حالات اسپین خود وابسته است — این حالات اسپین بهطور قوی تحت تأثیر ارتعاشات شبکه اطراف قرار میگیرد.
یافتههای جدید نشان میدهند که روشهای نوری بهکار رفته برای کنترل نقصها ممکن است بهطور ناخواسته حبابهای کوچک و کوتاهمدت حرارت ایجاد کنند. این افزایشهای دمایی محلی میتوانند بهطرز ظریف حالات اسپین را مختل کنند و احتمالاً بر زمانهای برهمکنش (coherence time) و عملکرد کلی دستگاههای کوانتومی مبتنی بر الماس تأثیر بگذارند.
اطلاعات بیشتر: Terng Junn Keat et al., Hot‑Phonon‑Induced Distortion of Diamond Defects on Ultrafast Timescales, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/mvdf-bdrx
اطلاعات مجله: Physical Review Letters
ارائهشده توسط دانشگاه وارویک
استناد: تلههای حرارتی نانو مقیاسی شگفتانگیز در الماسها (2025, 9 دسامبر). بازخوانی 23 دسامبر 2025 از https://phys.org/news/2025-12-nanoscopic-diamonds.html