Kim cương biến mất trong ánh sáng mặt trời
Những nguyên tử carbon được giải phóng trong ánh sáng UV
Kim cương được biết đến là một trong những vật liệu cứng nhất trong tự nhiên,
nhưng khi đặt một viên kim cương dưới ánh sáng mặt trời và nó sẽ mất dần nguyên
tử, những nhà vật lý học thuộc nhóm nghiên cứu tại Úc công bố. Tốc độ của việc
biến mất không gây ảnh hưởng nghiêm trọng vương miện đính kim cương hoặc
gây hại đến nhẫn kim cương, nhưng việc khám phá này có thể hữu ích cho những
nhà nghiên cứu về những tính chất ngọai lệ điện tử và quang học của kim cương.
Những ứng dụng mới nhất của kim cương, từ phát xạ ánh sáng lazer đến việc tính
tóan và tương tác lượng tử, đều cần thiết hiểu tính chất bề mặt của kim cương ở
cấp độ micro và nano. Nhà vật lý học Rich Midren và đồng sự tại trường đại học
Macquarie tại Sydney sử dụng những tia UV tác động một cách riêng biệt nhẹ
nhàng để chứng minh điều nói trên.
Kim cương thường được khắc bằng tia lazer trong một quá trình gọi là ablation,
quá trình này sẽ đốt cháy những nguyên tử từ bề mặt nhưng sau đó sẽ cho một bề
mặt thô. Midren và đồng sự cho thấy khi giảm năng lượng của lazer, một quá trình
xem là giải hấp thu đảm nhiệm, với những carbon kích thích sẽ nhảy ra khỏi bề
mặt của kim cương để giải phóng một cách liên tục ra khỏi bề mặt khắc.
Midren và nhóm nghiên cứu phát hiện một cách tình cờ sự ảnh hưởng khi phát
triển thiết bị lazer dùng kim cương. ‘Chúng tôi muốn cho thấy rằng kim cương có
thể hoạt động tại những bước sóng mà vật liệu khác thì không thể và vùng UV là
một ví dụ’. Nhóm nghiên cứu đã sản xuất ra một thiết bị lazer dùng kim cương có
thể phát xạ ra thành công tia UV nhưng nó chỉ hoạt động trong 10 phút, và sau đó
thì nó không phát xạ nữa. Điều này có nghĩa rằng chúng tôi đã giải phóng những
nguyên tử carbon và tạo ra lõm (hốc) trên bề mặt của kim cương. Đây là một tin
tức xấu cho ứng dụng lazer nhưng là tin tốt cho những hướng nghiên cứu khác.
Chọn lựa khó khăn
Một cách chính xác quá trình giải hấp thu họat động thế nào vẫn còn đang nghiên
cứu, nhưng Midren có một vài thuyết đã được công bố trên tạp chí Optical Material
Express. Gợi ý đầu tiên là quá trình cần một bề mặt kim cương bao phủ với những
nguyên tử oxy. Gợi ý thứ hai là quá trình cần hai photon để giải phóng ra một
nguyên tử carbon. Khi hai photon tác động đến kim cương, chúng sẽ tạo ra một sự
kích thích và cặp electron bị kích thích bên trong của kim cương có thể khuếch tán
đến bề mặt và giải phóng ra một nguyên tử carbon. Năng lượng kích thích thì dư
cho việc giải phóng một phân tử CO. Điều này cũng có thể rằng tia UV được kích
thích trực tiếp lên bề mặt dẫn đến liên kết bị bẽ gãy và CO cũng đồng thời được
giải phóng.
Mặc dù những nghiên cứu trước đó khẳng định rằng kim cương có thể khắc bằng
cách này. Nghiên cứu của Midren là nghiên cứu đầu tiên mô tả chi tiết quá trình,
và cho thấy mối liên hệ tuyến tính của việc hấp thu 2 photon và tốc độ khắc. Quá
trình cũng cho thấy ko có ngưỡng thấp hơn, có nghĩa rằng việc mất carbon sẽ xuất
hiện trong ánh sáng mặt trời. Tuy nhiên tốc độ mất rất là chậm, thậm chí sử dụng
một cái đèn UV trong phòng thí nghiệm cũng phải mất 10 tỷ năm để tách 1 mg
diamond.
‘Tốc độ mất phân tử chậm hạn chế những ứng dụng như là kỹ thuật khắc những
những vật rất nhỏ lên bề mặt kim cương’, nhà vật lý học Steven Prawer phát biểu,
trưởng viện nghiên cứu vật liệu của trường đại học Melbourne tại Victoria, Úc, nơi
ông đang nghiên cứu những thiết bị ứng dụng kim cương.
‘Nhưng điều này cũng không có nghĩa là không hữu ích, nó cũng giúp ích trong kỹ
thuật đánh bóng hơn là mài và bạn cũng có thể kết hợp nó với quá trình ablation để
đánh bóng một bề mặt khắc’.
Một bề mặt láng bóng thì quan trọng cho máy phát xạ hạt photon đơn có dùng kim
cương mà Prawer đang tiên phong cho ứng dụng tương tác lượng tử và có thể
truyền thông tin. Photons được sinh ra bằng bất cứ khuyết tật nào trong kim cương,
phát xạ theo mọi hướng, rất nhiều photons bị mất đi. Để thu ánh sáng, chúng ta có
thể tạo ra photon trong khoảng bước sóng biết trước. Nhưng quá trình khắc thường
cho ra một bề mặt thô khiến cho ánh sáng bị phân tán. Kỹ thuật làm bóng bề mặt
khắc sẽ gia tăng tốc độ đếm và quyết định tốc độ truyền dữ liệu.