Патент на изобретение №2357866

(54) СПОСОБ ЗАЩИТЫ ДОКУМЕНТОВ, ЦЕННЫХ БУМАГ ИЛИ ИЗДЕЛИЙ С ПОМОЩЬЮ НАНОАЛМАЗОВ С АКТИВНЫМИ NV ЦЕНТРАМИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области защиты ценных бумаг и документов. Способ защиты документов, ценных бумаг и изделий с помощью нанокристаллов алмаза с активным NV центром заключается в том, что в защищаемый документ, ценную бумагу или изделие вводят или наносят флюоресцирующую под действием внешнего излучения метку, которая представляет собой нанокристалл алмаза с активным NV центром. Нанокристалл алмаза обеспечивает полное внутренне отражение и увеличивает выход флуоресценции, и уменьшает количество требуемого материала в метке. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области защиты ценных бумаг и документов. В изобретении предлагается введение новой метки, использующей нанокристаллы алмазов с центрами азот-вакансия (NV). Наличие метки в документе зондируется излучением оптического диапазона или при совместном действии электромагнитного излучения оптического и СВЧ диапазонов.

Последнее время активно ведется поиск способов реализации квантовых вычислений. Для решения этой задачи необходим физический объект, в котором, во-первых, возможно создание относительно долгоживущих суперпозиционных состояний, являющихся квантовым носителем информации – кубитом, а во-вторых, возможна передача этого состояния фотону и обратно. В принципе, кубит можно записать в любой квантовой двухуровневой система. Однако ни один из множества опробованных объектов: спиновых состояний атомов, квантовых точек, сверхпроводящих цепей, ионов в ловушках не обладает достаточной простотой и надежностью для практических применений. Причины различны: в одних случаях это связано с малыми временами продольной и поперечной релаксации, в других – с низкой стабильностью рассматриваемых систем или со сложностью управления их состоянием. Только с открытием активных NV центров [F.Jelezko, J.Wrachtrup, Single defect centres in diamond: A review, Phys. stat. sol. (a) 203, No. 13, 3207-3225 (2006), Д1] в кристаллах алмаза появился практически значимый вариант реализации кубитов. В основном состоянии этих центров возможно создание когерентных суперпозиций квантовых состояний, а разрешенный оптический дипольный переход позволяет опрашивать эти состояния фотонами. Перспектива применения NV центров в нанокристаллах алмаза в качестве уникальных меток в целях защиты объектов определяется сочетанием их специфических квантовых свойств (интерференция волновых функций различных состояний) с фотостабильностью при комнатной температуре и высокой прочностью матрицы.

NV-центр представляет собой дефект решетки алмаза, из которой удалены два соседних атома углерода, и на месте одного из них внедрен атом азота. Далее рассматривается отрицательно заряженный NV-центр, в котором атом азота и соседняя вакансия захватывают электрон, образуя заряженный парамагнитный центр. Пространственная структура названного центра представлена на фиг.1. Уровни энергии NV-центра, ответственные за перечисленные выше свойства, приведены (не в масштабе) на фиг.2. NV-центр имеет симметрию группы С_3v. Согласно представлениям этой группы идентифицируются электронные состояния и соответствующие им уровни энергии NV-центра. Основное состояние ³A имеет невырожденную тонкую структуру уровней, в которых проекция спина на ось симметрии имеет значение 0 или ±1. По измерениям констант тонкого и сверхтонкого расщеплений основного уровня сделано заключение, что спиновая плотность электронов распределена на 70% по трем связанным с азотом атомам углерода, а остальные 30% практически полностью приходятся на область вакансии (на атоме азота сосредоточено всего около 2% от общей спиновой плотности). Основной изотоп углерода имеет нулевой ядерный спин. Поэтому магнитные взаимодействия основного состояния NV центра с соседними ядрами решетки, обусловленные ядерным спином, отсутствуют. Это приводит к большому времени жизни когерентности парамагнитного центра в основном состоянии.

Разрешенный переход между основным состоянием и уровнем ³Е имеет суммарную силу осциллятора 0,2. Длина волны безфононного перехода для этих уровней составляет 637 нм. Этот оптический переход позволяет управлять долгоживущим спиновым состоянием основного уровня NV-центра и считывать его. Такое взаимодействие удается осуществлять даже для одного выделенного NV-центра [Д1]. Релаксация уровня ³E происходит по двум каналам: излучательно с переходом в основное состояние и безизлучательно через промежуточный метастабильный уровень ¹А. Наличие безизлучательного канала с одной стороны уменьшает флуоресценцию, с другой – приводит к неравновесному распределению населенностей подуровней основного состояния и делает возможным наблюдение двойного радиооптического резонанса. Двойной резонанс приводит к тому, что полная мощность флуоресценции на оптическом переходе меняется при воздействии на метку с NV-центрами узкополосным СВЧ сигналом.

Для формирования меток используются нанокристаллы алмаза размером 5-150 нм с созданными в них NV-центрами. Малый размер кристаллов делает их невидимыми в оптический микроскоп и подавляет эффект полного внутреннего отражения, что увеличивает выход флуоресценции и уменьшает количество требуемого материала в метке.

Выбор диапазона допустимых размеров нанокристаллов связан, с одной стороны, с необходимостью изолирования активного центра решеткой алмаза от окружающей среды, а с другой – желанием увеличить выход излучения из кристалла алмаза, которое в случае кристаллов большего размера понижается вследствие эффекта полного внутреннего отражения.

Известен способ (US 2003173046 А1, 18.09.2003, Д2), в котором в качестве средств защиты документов и ценных бумаг предлагаются микро- или наноструктуры на основе дифракционных оптических элементов со специальной структурой, которая проявляется только при использовании специальных средств контроля и выражается в дифракционной картине, получаемой при освещении когерентным излучением.

Наиболее близок к данному предложению патент (RU 2312882 C2, 20.12.2007, Д3), который взят в качестве прототипа. Его авторы предложили использовать печатную жидкость с введенными в нее наночастицами солей и оксидов металлов в виде кристаллических твердых частиц со средним диаметром менее 300 нм, флуоресцирующих или фосфоресцирующих при возбуждении. В названном патенте предлагается большое число веществ, которые могут быть использованы в качестве добавок-люминофоров в составе указанных наночастиц.

В прототипе рассматриваются люминофоры, в которых люминесценция определяется только населенностями энергетических уровней и суммарным излучением многих статистически независимых центров. Авторами же предлагается использовать не только возбуждение неравновесных населенностей NV-центров в нанокристаллах алмаза, но и долгоживущие когерентные суперпозиции волновых функций подуровней их основного состояния.

В настоящее время алмазы с активными NV-центрами получают путем воздействия на них электронным или ионным пучком с последующим отжигом при высокой температуре. Можно ожидать, что в ближайшее время появятся более простые способы их синтеза.

Алмаз является перспективным кандидатом для поиска и других активных оптических центров, поскольку из-за высокой жесткости его решетки он имеет низкую плотность фононных состояний и по этой причине меньшую эффективность взаимодействия локализованных квантовых состояний с фононами.

Суммируя изложенное выше, можно сказать, что предлагаемое изобретение отличается тем, что наночастицы алмаза со специально созданными в них NV-центрами могут использоваться для защиты документов, ценных бумаг и других изделий путем внедрения таких наночастиц в лаки, краски, клеи, волокна и другие материалы, используемые для изготовления защищаемых изделий. При этом указанные выше уникальные свойства NV-центров позволяют использовать при их регистрации как традиционные спектроскопические методы, так и когерентные эффекты взаимодействия излучения с веществом.

Проверка подлинности объекта защиты производится оптическими методами, подразумевающими наличие источника оптического возбуждения с длиной волны в диапазоне 500-550 нм, например, излучением второй гармоники лазера на иттрий-алюминиевом гранате (532 нм). Фотоприемное устройство, настроенное на длины волн в диапазоне 630-800 нм, анализирует спектральные и временные характеристики принимаемого сигнала люминесценции.

Заключение о наличии защитной метки делается на основе:

1) ожидаемых спектральных характеристик флуоресценции (традиционный метод);

2) зависимости стационарного сигнала флуоресценции от частотного интервала между двумя компонентами оптического бихроматического поля; для формирования этого бихроматического поля используются либо две продольных моды зондирующего лазера, либо модуляция одночастотного монохроматического излучения на частоте, равной половине тонкого интервала основного состояния NV центра _ст (или 0,25 от _ст, если далее частота удваивается); когда частотный интервал между двумя боковыми компонентами зондирующего излучения равен _ст, возникает непоглощающая суперпозиция состояний ТМ центра, и поглощение падает (вместе с сигналом флуоресценции); этот эффект называется когерентным пленением населенностей и широко используется в спектроскопии и метрологии; большое время жизни когерентности в основном состоянии NV центра является условием наблюдения этого эффекта;

3) различия сигнала флуоресценции при одновременном возбуждении резонансным СВЧ полем и без него; это различие возникает по следующей причине: поглощение зондирующего излучения происходит сразу со всех подуровней основного состояния NV центра; при безизлучательной релаксации происходит перераспределение населенностей из-за селективности каналов релаксации по магнитной проекции момента центра, оно становится неравновесным; включение СВЧ поля, резонансного расщеплению основного состояния, изменяет распределение, приближая его к равновесному; в результате меняется поглощение лазерного излучения вместе с регистрируемым сигналом флуоресценции.

Формула изобретения

1. Способ защиты документов, ценных бумаг и изделий с помощью нанокристаллов алмаза с активным NV центром, заключающийся в том, что в защищаемый документ, ценную бумагу или изделие вводят или наносят флюоресцирующую под воздействием внешнего излучения метку, при этом метка представляет собой нанокристалл алмаза с активным NV центром.

2. Способ по п.1, в котором используют нанокристалл алмаза с активным NV центром размером от 5 до 150 нм.

РИСУНКИ