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钻石晶格缺陷:GIA 研究人员探究内部标记和灰-蓝-紫钻石颜色


一位男士和一位女士的头像照片。
在近期举办的普林斯顿-GIA 研讨会上,GIA 研究人员 Troy Ardon(特洛伊·阿登)(左)和 Chloe Peaker(克洛伊·皮克)展示了他们在钻石量子方面的发现。Ardon(阿登)专注于内部钻石标记应用研究,而 Peaker(皮克)则研究一些钻石为何会呈现灰到蓝-紫的颜色。

1 月 24 日,由 GIA 主办的普林斯顿-GIA 钻石研讨会在普林斯顿大学举办。研讨会上,GIA 科学家们展示了他们在钻石标记以及钻石灰-蓝-紫颜色成因方面的最新研究成果。

一年一度的研讨会旨在促进量子实验家、材料科学家以及行业伙伴之间的合作。与会者包括来自 Argonne National Laboratory(美国阿贡国家实验室)、Institut Néel Grenoble(法国格勒诺布尔内尔研究所)、City College of New York(纽约市立学院)、Cornell University(康奈尔大学)、CUNY College of Staten Island(纽约市立大学史丹顿岛学院)、IBM Quantum(IBM 量子)、Princeton(普林斯顿大学)以及 University of Pennsylvania(宾夕法尼亚大学)的量子与材料研究团队。

本次会议组织者、普林斯顿大学电气工程系副教授 Nathalie de Leon(纳塔莉·德莱昂)说道:“本次研讨会是一次很好的契机,让高校科研人员及行业科学家齐聚一堂,共同探讨他们正在研究的钻石、材料、光谱学和量子科技等相关主题。这种形式下所进行的讨论与合作非常有价值。研讨会探讨的主题非常广泛,学生和我都赞不绝口。”

内部钻石标记

Troy Ardon(特洛伊·阿登)拥有英国 University of Warwick(华威大学)钻石科技硕士学位,他在卡尔斯巴德 GIA 担任助理研究员。他在研讨会上介绍了“利用激光直写技术将 H3 缺陷写入天然 Ia 型钻石”,涉及到利用激光直写技术创建钻石内部标记系统的相关研究。

Ardon(阿登)指出,想要了解各种可能性,就得了解钻石结构。钻石由一种重复结构的碳元素组合而成,这种结构称为晶格。Ardon(阿登)说,纯净的钻石成分为纯碳,别无其他。然而,钻石晶格中常常有非碳原子(最常见的是氮元素)“代替”碳元素。当由一个氮原子代替一个碳原子时,人们称之为取代氮。空位则是缺失的碳原子,是晶格中的空白。

从左到右的三个模型分别是纯净钻石的晶格以及两个带缺陷钻石的晶格。
这些晶格模型展示了纯净钻石(左)与带缺陷的钻石(中和右)的区别。插图:Troy Ardon(特洛伊·阿登)/GIA

Ardon(阿登)指出:“这些缺陷有各种各样的组合方式,比如 H3 缺陷就是晶体中的氮-空位-氮结构。我们利用高能汇聚激光脉冲,将晶格中的碳原子击出,让晶格产生空位。氮元素则以 A 心形式呈现。接着热锻处理(缓慢加热)钻石,使这些空缺‘迁移’至 A 心,生成 H3。我们想看看能否创造出可以在此背景(高于其他)上进行测量的 H3 缺陷。”

实验结果

他指出:“我们成功将 H3 缺陷写入带有低 H3 背景的天然钻石,且没有产生可见损伤。即便是用了高能脉冲,我们还是没能将可测量 H3 写入高背景钻石,因此,我们得扩大研究范围,发现其他可写入缺陷。”

Ardon(阿登)指出,这种钻石量子光子学(钻石光学以及钻石缺陷作为光子源使用的笼统术语)领域的基础研究,也许可以应用于宝石行业,创建高性能的内部标记系统。创建一套独特连续的符号(类似二维码),其目的在于防止欺诈行为,提高可追溯性。

他说:“我非常喜欢利用全新的基础研究成果,并将其应用于人们熟知的行业。这相当于为广大受众提供了了解高级研究资讯的渠道。将全新科学观念/方法与大家都明白的实际应用联系起来,这非常有意思。”

灰-蓝-紫色钻石的颜色成因

Chloe Peaker(克洛伊·皮克)博士 与 GIA 纽约的一位博士后研究助理介绍“过渡金属中心:灰-蓝-紫色富氢钻石的可能成因”,概括讲述了让钻石呈现罕见灰-蓝-紫色的缺陷的理论及实验研究。

Peaker(皮克)指出:“人们至今也没弄清楚钻石为何会呈现出这种颜色。只有天然钻石才有这种颜色,实验室制造的钻石或经处理的钻石都没有这样的颜色,因此这些钻石罕见而珍贵。”

她说,通过观察紫外线—可见光吸收光谱可以研究这类宝石的颜色,但从理论上讲,识别峰值及作用缺陷原本难度就很大。

Peaker(皮克)指出,本研究最初专注于识别产生 3236 cm-1 吸收峰的缺陷,这是傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 中一种定义明确的吸收峰。傅里叶变换红外光谱是一种观察红外光范围光线吸收的吸收光谱技术,不是观察紫外线—可见光范围光线吸收的紫外线-可见光谱。仅次于 3107 cm-1 吸收峰、第二明显的吸收峰是 3236 cm-1,这是经过近 50 年的研究,将理论结合试验结果最终发现的吸收峰。

带有金属-氮缺陷的钻石晶格。
在这个钻石金属-氮缺陷实例中,晶格由一个位于空位中心的镍原子(红色)组成,原本位于该空位的碳原子被移除。该镍原子四周围绕着四个氮原子(蓝色)和两个碳原子(灰色)。该缺陷被标记为 NiN4V(V 代表空位),也被称为 NE8,NE8 用于标记电子顺磁共振 (EPR) 中见到的光谱特征。插图:Chloe Peaker(克洛伊·皮克)/GIA

Peaker(皮克)说道:“就 FTIR 光谱这一区域发现的金属-氮-氢振动,我提出了可能性很大的理论结果,虽然仅根据一条证据来辨识略显轻率。我还通过对比混合习性钻石中 3236 和 3107 吸收峰的空间分布,来推测其形成途径。”

要找到灰到蓝-紫颜色钻石的成因还需要展开更多工作,Peaker(皮克)迫不及待地想要继续她的研究工作。

她说:“我想成为找到这种钻石颜色成因的那个人。清楚颜色成因是了解复制或改良这种致色缺陷方式的首要步骤。我想发现一些能对钻石行业产生更广泛影响的东西。研究未知事物,让人感觉非常激动!”

这些研究人员参加普林斯顿-GIA 钻石研讨会,有机会获得更多量子理论(从原子和亚原子层面研究物质和能量的性质和行为)的相关信息,了解量子理论在宝石研究领域的可能应用情况。

Ardon(阿登)说道:“与会人员众多,所有发言者似乎都为自己的演讲做足了准备。大家就量子计算的新进展以及用钻石缺陷作为量子位展开了大量讨论,内容非常精彩。”

在研讨会上学到的有关量子计算的知识,给 Peaker(皮克)留下了深刻的印象。

她说:“量子计算的发展极其迅速。整个材料科学的前景看起来无限光明。”

高级通讯经理 Amanda J. Luke(阿曼达·J.·卢克)是 GIA Insider 的编辑,在 GIA 从事编辑和写作工作已有十八年之久。


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