科學家發現，在原子尺度上，鑽石能以意想不到的方式暫時捕捉熱量。這一發現可能會影響科學家設計基於鑽石的量子技術，包括超精確的傳感器和未來的量子電腦。華威大學的科學團隊發現鑽石中的原子缺陷周圍存在「熱點」，挑戰了關於這種最佳熱導體的假設。華威大學物理學系的詹姆斯·勞伊德-休斯教授表示，發現鑽石中分子尺度缺陷的熱基態對我們來說是非常令人驚訝的。鑽石是最佳的熱導體，因此人們會期望能量傳輸能防止任何此類效應。然而，在納米尺度上，一些聲子——振動能量的包裝單位——在缺陷附近停留，形成一個微型熱環境，這推動了缺陷本身。
科學家們研究了一個特定的鑽石原子缺陷，即氮原子取代碳原子並與氫鍵結的情況，稱為 Ns:H-C0 缺陷。研究人員用超快紅外激光脈衝激發缺陷的 C–H 鍵時，他們原本預期熱量會立即散發到鑽石晶格中。相反，先進的光譜學揭示了一種有趣的現象：該缺陷短暫進入了科學家所稱的「熱基態」——這意味著周圍的晶體仍然很熱，並且缺陷發生了變化。根據新聞稿的說法，附近積累的振動能量使缺陷的紅外特徵移至更高的能量，這一過程需要幾皮秒達到峰值，然後衰減。
本研究使用了多維相干光譜技術（2DIR）來研究該缺陷，這使得研究人員能夠分離由不同能量的光產生的缺陷響應。牛津大學物理學系的博士後研究員趙俊傑表示，這是我們首次將這一技術應用於鑽石缺陷的研究，熱基態形成的直接觀察超出了我們的預期。我們對這一新穎方法的結果感到非常滿意，並期待使用這一技術進一步研究其他課題。
研究團隊還解釋了為何鑽石無法立即移除這些能量。該缺陷通過產生特定的高能聲子來釋放其能量，這些振動無法傳播得太遠。這些聲子運動緩慢並迅速散射，形成一個微小的熱泡，最終衰減為更快移動的熱傳導振動。局部瞬時加熱至關重要，因為缺陷是微小而敏感的量子系統，即使環境中的短暫變化也會影響其穩定性、精確度及在量子技術中的有用性。
研究團隊指出，鑽石中的氮-空位（NV）和矽-空位（SiV）中心等缺陷作為敏感傳感器和量子信息處理的基本構件。它們的性能取決於保持其自旋狀態的穩定性，而這些自旋狀態又受到周圍晶格振動的強烈影響。這項研究的新發現表明，用於控制缺陷的光學技術可能無意中產生小而短暫的熱泡，這些局部溫度尖峰可能會微妙地擾動自旋狀態，從而影響鑽石基量子設備的相干時間和整體性能。
研究顯示，當某些分子尺度的缺陷在鑽石中被光激發時，會產生微小且短暫的熱點，瞬間扭曲周圍的晶體。這些扭曲僅持續幾兆分之一秒，但足以影響與量子相關的缺陷行為。這項研究發表於《物理評論快報》，探討了利用 Ns:H−C0 缺陷在鑽石中進行的超快缺陷-晶格動力學。研究人員通過合成、超快振動光譜學和第一性原理計算，顯示缺陷的伸展模式激發導致局部聲子的生成以及熱基態的形成，該狀態下原子間的潛力暫時被改變。研究人員表示，儘管鑽石具有極高的熱導率，我們的結果揭示了意外的非平衡聲子效應，對量子缺陷工程具有重要意義。
