Этот радиоприемник — только начало работы, в будущем ученые планируют использовать и другие свойства алмазов для создания миниатюрных радиоэлектронных элементов
Исследователи из SEAS (Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences) создали самый маленький радиоприемник в мире из розовых алмазов. Точнее, роль приемника играют не сами алмазы, а микроскопически малые дефекты в кристаллической решетке размером с несколько атомов. Само крохотное радио сформировано из блоков, размер которых составляет два атома. Работать такой приемник может в самых неблагоприятных условиях, когда любое электронное устройство попросту выйдет из строя. Это может быть поверхность Венеры, жерло вулкана. Аналогичную систему можно использовать и в медицине — например, использовать подобный модуль в качестве кардиостимулятора.
Руководителем группы разработчиков стал Марко Лончар (Marko Loncar). Он вместе со своим аспирантом Линбо Шао (Linbo Shao) подал идею использовать точечные дефекты алмазов, которые известны, как азото-замещенная вакансия в алмазе. Сам дефект представляет собой нарушение строения кристаллической решетки алмаза, которое возникает при удалении атома углерода из узла решетки и связывании образовавшейся вакансии с атомом азота.
Уникальность этого дефекта состоит в том, что его свойства практически аналогичны свойствам атома, будь тот «заморожен» в кристаллической решётке алмаза: электронные спины индивидуального центра легко манипулируются: светом; магнитным, электрическим и микроволновыми полями; — что позволяет записывать квантовую информацию (кубиты) на спине ядра центра. Такая манипуляция возможна даже при комнатной температуре; центр имеет продолжительное (достигающее нескольких миллисекунд) время хранения наведённой спиновой поляризации… В настоящее время — NV-центр может рассматриваться как базовый логический элемент будущего квантового процессора, необходимого для создания квантового компьютера, линий связи с квантовым протоколом безопасности и других применений спинтроники.
Для того, чтобы создать азото-замещенную вакансию, исследователи замещали атом углерода в крошечном алмазе на атом азота, убирая один из соседних атомов. В итоге образовывалась система из атома азота и «дыркой». Вакансии могут использоваться для излучения одного фотона, или же для обнаружения слабого магнитного поля. Системам такого типа присущи фотолюминисцентные свойства, что означает возможность преобразования информации в свет. Это открывает возможность использования азото-замещенных вакансий в квантовых вычисления, фотонике и прочих сферах.
Даже высокочистый природный и синтетический (IIa-типа) алмаз содержит небольшую концентрацию NV-центров. (Высокочистый синтетический алмаз изготавливают с помощью химического осаждения из паровой фазы (CVD)). Если же концентрация центров недостаточна, то образцы облучают и отжигают. Облучение ведут высокоэнергетическими частицами (10—80 кэВ); это может быть поток: электронов, протонов, нейтронов и гамма-частиц. NV-центры создаются на глубине до 60 мкм. Интересно, что NV0 в основном залегают до 0.2 мкм глубин. Созданные вакансии при комнатной температуре малоподвижны, однако при повышении температуры (выше 800С) их подвижность значительно вырастает. Атом азота, внедрённый в решётку, захватывает одну из вакансий и создаёт с другой соседней вакансией NV?.
Что касается радиоприемников, то они обычно состоят из пяти базовых компонентов: источника энергии, приемника, преобразователя, который превращает электромагнитные волны в электрический ток, регулятора и динамика. У системы, созданной специалистами из Гарварда есть все эти компоненты, хотя и не в том виде, в котором мы их привыкли видеть.
Источник энергии здесь — луч лазера, который направлен на электроны в азото-замещенных вакансиях. Электроны чувствительны к электромагнитному полю, так что они под воздействием лазерных лучей реагируют на радиоволны. Когда вакансия обнаруживает радиоволну, она преобразует ее в красный свет, который перенаправляется через фотодиод (в данном случае это преобразователь). Он превращает свет в ток. Дальше ток преобразуется в звук при помощи динамика.
Но что насчет настройки такого приемника? Эту проблему ученые тоже решили. Они создали вокруг алмаза магнитное поле, которым можно управлять для изменения частоты воспринимаемых вакансиями радиоволн. Сигнал может быть усилен, если работать с бОльшим количеством вакансий. В работе исследователей из SEAS используются миллиарды таких точечных дефектов алмазов. Работать система может и с одной вакансией, но, к сожалению, в этом случае излучать можно лишь один фотон за раз, вместо потока красного света.
В будущем команда исследователей надеется изучить возможность работы с другими дефектами атомов, например, с кремниевыми вакансиями в алмазах. Возможно, это поможет лучше управлять радиоволнами.
При проведении пробных испытаний алмазного радиоприемника ученые работали, в том числе, в условиях повышенной температуры — около 350 градусах Цельсия. «У алмазов уникальные свойства», — говорит руководитель проекта. «Этот радиоприемник может работать в космосе, в сложных условиях или в теле человека».
Исследование поддерживалось научным центром STC Center for Integrated Quantum Materials.
Комментарии (21)
Sabbaot
19.12.2016 20:58+2Для того, чтобы создать азото-замещенную вакансию, исследователи замещали атом углерода в крошечном алмазе на атом азота, убирая один из соседних атомов.
Перевожу: вместо 2х атомов углерода остается 1 атом азота и дырка.
larrabee
19.12.2016 22:53+7При проведении пробных испытаний алмазного радиоприемника ученые работали, в том числе, в условиях повышенной температуры — около 350 градусах Цельсия.
Бедные ученые, зачем же их в печь?
Psychosynthesis
20.12.2016 02:31+2«Работать такой приемник может в самых неблагоприятных условиях, когда любое электронное устройство попросту выйдет из строя.»
Ну да, здорово. А теперь посмотрим правде в глаза. Могут ли в тех же условиях работать упомянутые в статье устройства, которые использовались для получения результата, кроме, собственно, детектора? А именно:
Источник питания?
Соединительные кабели?
Лазер?
Усилитель сигнала?
Устройство обработки информации (если речь не идёт о простом преобразовании свет->ток)?
Пока все эти замечательные девайсы не будут также выпилены из куска алмаза\кремния, о действительно экстремальных условиях речи не идёт. Ну нашли они способ сделать один из узлов малозависимым от внешних воздействий… С остальными что?
TheShock
20.12.2016 08:31-1Ваш комментарий сплошной фейспалм.
Во-первых, такие технологии интересны сами по себе.
Во-вторых, это один из шагов к замене всех узлов. Или все технологии должны быть открыты в один день?
В-третьих, если в кардиостимуляторе есть пять компонентов с относительно высокой вероятностью отказа, то замена даже одного из них на отказоустойчивый понижает вероятность отказа системы в целом (потенциально слабое звено стает сильным)
Аналогично с размером — если принять, что, условно, в кардиостимуляторе есть 5 компонентов, каждый из них 20% От его размеров, то уменьшение одного из них в 4 раза уменьшит размер всего прибора на 15%
Psychosynthesis
21.12.2016 01:56«Сплошной фэйспалм» это, извините, давать голословные комментарии на техническом ресурсе.
Если в кардио-стимуляторе есть пять компонентов с «относительно высокой надёжностью», но заменяя один из них на компонент с более высокой надёжностью и при этом снижая надёжность остальных узлов, никакой выгоды не получится, даже наоборот.
С каких пор детекторный элемент в радиоприёмнике стал слабым звеном? Что-то, по моему, это как раз добавление туда лазера и фотодиода прибавило множителей в формуле расчёта надёжности, что явно положительно на надёжности не сказалось.
Аналогично с размером, пластинка из статьи, вместе с необходимой обвязкой пока никак, даже близко к размерам полупроводникового диода не приблизилась. Возможно, если они каким-то невероятным образом избавятся ещё и от необходимости в антенне (учитывая что чаще всего она нужна направленная), тогда будет другой разговор.
Сама технология интересна, бесспорно. Но на текущем уровне это ровно то же, что способ «скрытой передачи данных с защищённого компьютера через писк куллера», но со скоростью 1 бит/с и с неоходимостью физического доступа к машине, или как «гипер-ёмкий конденсатор с обкладками из нано-материалов», но требующий атомного микроскопа и тысячи человеко-часов для производства одного единственного экземпляра.
Суть моего коммента в том, что от какого-то практического применения данная штука примерно также далека как и существующие термоядерные установки от промышленных электростанций. Выдавать это за прорыв — вот это фейспалм.
xilix
20.12.2016 02:37+2Всегда думал что алмаз от угля не очень-то отличается в плане горения.
Вот что написано в вики:
На воздухе алмаз сгорает при 850—1000 °C, а в струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720—800 °C, полностью превращаясь в углекислый газ.
black_semargl
20.12.2016 10:02+1Горит одинаково. А вот поджечь гораздо сложнее.
Разница как между поленом и листом бумаги.mistergrim
20.12.2016 10:17Настругайте полено до толщины бумаги и сравним.
a5b
20.12.2016 17:40Видео от Beyond the press с попытками поджечь алмаз (13 минут). Удалось поджечь на 9й минуте видео:
https://www.youtube.com/watch?v=hF_yqriai7E
fivehouse
20.12.2016 12:06+1«создали самый маленький радиоприемник в мире из розовых алмазов.» Эта статья по величине отрыва фантазии/вранья от описываемой в ней самой реальности вероятно занимает первое место среди всех статей подобных статей.
Итак: НИКАКОГО РАДИОПРИЕМНИКА НЕ СДЕЛАНО. Сделан какой-то компонент, который нуждается в другом обычном оборудовании. Даже достоверно не описано какой конкретно компонент сделан. Люди сделавшие заявление о приемнике НИКАКОГО понятия не имеют что такое приемники из чего и почему приемники сделаны. Также авторы понятия не имеют какие задачи стоят перед современными приемниками и сколь глубок разрыв от одного компонента до реального приемника. И в заключение: «Что касается радиоприемников, то они обычно состоят из пяти базовых компонентов: источника энергии, приемника, преобразователя, который превращает электромагнитные волны в электрический ток, регулятора и динамика.» Это вишенка. Каждое слово ошибочно, либо не уместно либо и то и другое одновременно.spc
20.12.2016 13:50+2Ну это не вишенка, это обычный уровень квалификации «редактора Geektimes». В оригинале все несколько лучше:
Radios have five basic components: a power source, a receiver, a transducer to convert the high-frequency electromagnetic signal in the air to a low-frequency current, a tuner, and a speaker or headphones to convert the current to sound.
Ну а вообще, чем плох повышенной стойкости к неблагоприятным условиям детектор электромагнитных колебаний? Как правильно говорили выше — надо же с чего-то начинать. У нас и LTE, если память не изменяет, началась с приемника на одном диоде. И ничего, как-то в интернетик выходим.
Alexeyslav
20.12.2016 16:11Большей чуши в жизни не видел… какой ещё регулятор?
Они таки сделали приёмник! Детекторный. Он не нуждается в источнике энергии, на выходе имеет электрическую величину — он самодостаточен.spc
20.12.2016 22:18Он, к сожалению, не очень самодостаточен, но концепция хороша. Управление избирательностью — внешним э/м полем, питание — накачка лазером. Снятие сигнала — бесконтактно.
fivehouse
20.12.2016 14:43+1Ну а вообще, чем плох повышенной стойкости к неблагоприятным условиям детектор электромагнитных колебаний?
Необходимо определиться о чем речь: о приемнике, о детекторе неопределенных электромагнитных колебаний при 350С или о шишечках-палочках-веревочках-наушниках. В исходной статье все это смешано в кучу.Как правильно говорили выше — надо же с чего-то начинать. У нас и LTE, если память не изменяет, началась с приемника на одном диоде.
При таком уровне обобщений и фантазий о будущем любой камень выпущенный из рогатки можно начать рассматривать как будущую баллистическую ракету. Уровень противоречий в статье зашкаливает.spc
20.12.2016 15:16+1Я, наверное, совсем дилетант, раз мне все предельно ясно. На мой взгляд, повторюсь, речь идет о детекторе вполне определенных электромагнитных колебаний (селектором диапазона служит электромагнит, размещаемый рядом с детектором).
350C упоминается в контексте стойкости к неблагоприятным условиям, а не к тому, что «ученым приходилось»:
The radio is extremely resilient, thanks to the inherent strength of diamond. The team successfully played music at 350 degrees Celsius — about 660 Fahrenheit.
Опять же, повторюсь, мне кажется, что никому не помешает новый детектор э/м колебаний. Вдруг он еще какие сюрпризы преподнесет.Psychosynthesis
21.12.2016 02:03На мой взгляд, повторюсь, речь идет о детекторе вполне определенных электромагнитных колебаний (селектором диапазона служит электромагнит, размещаемый рядом с детектором).
Ничё подобного. В статье действительно полный бардак.
Это приёмник? Или только детектор? А модуляцию какую он принимает? А поляризация какая? Диаграмма направленности? Это только детектор или «детектор + антенна»?
Это так, навскидку первые в голову пришедшие вопросы.
fruit_cake
>использовать подобный модуль в качестве кардиостимулятора
можно намерено вызвать тахикардию и в следствии инфаркт у любого человека