Fluorurazione del nanodiamante in soluzione: attivazione degli NV$^-$ prossimi alla superficie e rilassamento dello spin

Abstract degli autori

I nanodiamanti che ospitano difetti puntiformi luminescenti, noti come nanodiamanti fluorescenti (FND), sono una piattaforma di primo piano per la tecnologia quantistica. Il centro azoto-vacanza (NV) è il più studiato tra questi; il suo stato a carica negativa (NV$^-$) può fungere da qubit a temperatura ambiente e la sua stabilità è regolata dai gruppi funzionali superficiali. Presentiamo due metodi di fluorurazione in fase liquida per stabilizzare NV$^-$: la formazione diretta di legami C-F mediante decarbossilazione con difluoruro di xeno attraverso un meccanismo radicalico e la reazione di Balz-Schiemann, che sostituisce i gruppi amminici superficiali con il fluoro. I due metodi sono stati confrontati mediante spettroscopia infrarossa, fotoelettronica a raggi X, a raggi X a dispersione di energia, Raman e di fotoluminescenza. Entrambi hanno prodotto un’elevata frazione di NV$^-$, fino a $\sim$90% in media e vicina al 100% nelle regioni ricche di fluoro: per quanto ne sappiamo, tra i valori più alti riportati per nanodiamanti con terminazione superficiale di queste dimensioni e, in particolare, con terminazione al fluoro. La rilassometria nel dominio della frequenza mostra che le particelle fluorurate mantengono un lungo tempo di rilassamento spin-reticolo, pari a $733\pm56$ e $712\pm20$ $μ$s rispettivamente per i metodi XeF$_2$ e Balz-Schiemann, valori di diverse volte superiori a quelli riportati per nanodiamanti HPHT commerciali, sebbene inferiori ai $1173\pm123$ $μ$s del materiale così come ricevuto. La stabilità dello stato di carica e la durata dello spin, quindi, non migliorano di pari passo: la fluorurazione attiva i centri NV$^-$ vicini alla superficie, i più esposti al rumore superficiale ma anche quelli che dominano il rilevamento rilassometrico.