КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 21-79-30063

НазваниеКвантовые технологии лазерного формирования и широкополосной спектральной идентификации оптически-активных комплексов точечных дефектов в природных алмазах для промышленного трейсинга

РуководительКудряшов Сергей Иванович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им.П.Н.Лебедева Российской академии наук, г Москва

Года выполнения при поддержке РНФ 2021 - 2024 

КонкурсКонкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-708 - Лазерно-информационные технологии

Ключевые словаприродные алмазы, оптически-активные точечные дефекты (нанокомплексы дефектов), широкополосная УФ-ИК характеризация, высокоиндексная твердая иммерсия, лазеры ультракоротких импульсов, генерация пар междоузлие-вакансия, квантовые (атермические) процессы генерации и трансформации нанокомплексов дефектов, голографическое 3Д-картирование алмаза, трейсинг алмазов

Код ГРНТИ29.33.47


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Актуальность задачи состоит в том, что несмотря на значительные усилия компаний, занимающихся добычей и продажей природных алмазов, до сих пор не создано эффективной системы трейсинга, обеспечивающей идентификацию каждого отдельного кристалла в цепочке добычи-продажи-огранки. Существующие подходы трейсинга природных алмазов базируются на простом фотографировании внешнего вида кристаллов (в схемах сертификации африканских кристаллов) или технологии трехмерного сканирования внешней формы. В АК «АЛРОСА» разрабатывается технология трейсинга на основе внешней морфологии и спектроскопии поглощения в инфракрасной области. Отдельными российскими учеными предлагается использовать обычную спектроскопию фотолюминесценции для идентификации источника (месторождения) происхождения алмазов. Зарубежными компаниями разрабатываются технологии сравнительного анализа изотопного или микропримесного состава инвазивным методом лазерной абляции микроколичеств вещества с поверхности алмазов. Необходимость трейсинга связана, во-первых, с тем, что быстрое развитие технологий производства синтетических алмазов методами воздействия высоких давлений/температур и напыления в последние годы привело к существенному снижению их себестоимости. В результате, на рынок под видом природных поступает все большее число искусственных алмазов, причем качество подобных имитаций постоянно растет - имитируются спектральные характеристики и даже посторонние минеральные включения, характерные для природных алмазов. Во-вторых, на мировом рынке давно существует проблема контрафактных алмазов. Для предотвращения торговли "конфликтными" и "кровавыми" алмазами, которые добываются в зоне локальных военных действий - зачастую, с использованием рабского и детского труда - и доходы от продажи которых идут на финансирование преступных группировок и терроризма, созданы международные органы - такие, как Кимберлийский процесс и Всемирный алмазный совет. Практическое создание технологии надежного трейсинга алмазов является важной задачей для РФ и мирового сообщества в целом. В 2020 году Российская Федерация является председателем в Кимберлийском процессе, и это налагает определенную ответственность за развитие цифровых, интеллектуальных производственных технологий роботизированной идентификации и отслеживания (трейсинга) алмазов. Несмотря на усилия Правительства РФ в рамках Постановления от 24.03.2018 N 321 "О проведении эксперимента по маркировке отдельных видов драгоценных металлов, драгоценных камней и изделий из них" значимых успехов в этом направлении не достигнуто. Сложность реализации промышленного трейсинга состоит в том, что для его реализации требуется дорогостоящая аппаратура и большие временные затраты в пересчете на каждый единичный кристалл, кроме того для природных алмазов имеется большая вариативность дефектов в процессе роста, в зависимости от скорости роста, температуры, давления, химического состава флюидов и материнских пород. Также, различные кристаллографические направления в алмазах по-разному захватывают примеси. При этом кристаллы часто имеют признаки цикличного роста при нахождении в верхней мантии, с перерывами роста вплоть до 1 миллиарда лет. Все это в совокупности выражается в значительно выраженной зональности и секториальности кристаллов, которые делают существующие решения трейсинга крайне ненадежными. Наши предварительные результаты изучения природных алмазов показывают, что задачу трейсинга природных алмазов возможно решить с применением принципиально нового подхода, базирующегося на технологии широкополосной (УФ-средний ИК диапазоны) идентификации существующих, а также направленно и прецизионно формируемых ультракороткими лазерными импульсами (фемто-пикосекундной длительности) в объеме кристаллов нанокомплексов собственных и примесных дефектов кристаллической структуры, а также объемного голографического картографирования поляризованной фотолюминесценции оптически-активных центров, отражающих их индивидуальные особенности роста и структуру лазерной подписи, представляют интерес для крупной российской компании "АЛРОСА" (см. прилагаемое письмо АК «АЛРОСА»). Реализованные методы будут эффективным инструментом для определения внутренних напряжений и протяжённых дефектов (дислокаций, дислокационных стенок, малоугловых границ, двойников, дефектов упаковки, микровключений и пр.), оптически-активных в фотолюминесценции и поглощении пространственных дефектов типа Plateles в объёме природного алмаза, а также создаваемых ультракороткими лазерными импульсами оптически-активных дефектов с заданными свойствами, служить уникальным, повторно невоспроизводимым, криптографическим ключом или ID-номером каждого кристалла для практического осуществления идеи трейсинга алмазов. Данный подход послужит основой для разработки цифровых, интеллектуальных производственных технологий роботизированной идентификации и отслеживания (трейсинга) алмазов с использованием создаваемых больших баз данных добытых природных алмазов (объем информации по картографированию одного кристалла - до 20 ГБ), их машинному анализу с использованием систем машинного обучения и искусственного интеллекта. Предлагаемый проект предполагает фундаментальные исследования (фото)физических механизмов, ответственных за лазерную генерацию и структурно-оптическую трансформацию нанокомплексов точечных дефектов в природных алмазах с различными типами природных примесей замещения/внедрения (азот, кремний) в широком диапазоне концентраций последних примесей, и разработку соответствующих технологий как пассивной широкополосной (УФ-средний ИК диапазоны) идентификации существующих нанокомплексов дефектов для формирования баз данных, так и активного атермического (квантового) формирования новых, заданных типов нанокомплексов дефектов с помощью высокопроизводительных лазерных систем ультракоротких импульсов для их будущего трейсинга. Обнаруженные нами недавно в природных алмазах квантовые эффекты взаимодействия нанокомплексов дефектов с ультракороткими лазерными импульсами требуют проведения неотложных фундаментальных исследований и могут дать толчок для новых квантовых технологий на основе алмаза. Научная новизна состоит в том, что в рамках проекта будут отработаны методы и технологии пассивной широкополосной (УФ-средний и ИК) спектральной идентификации дефектных нанокомплексов в алмазах и основанного на ней голографического картографирования оптически-активных протяженных дефектов в ограненных и неограненных природных алмазах с различными типами природных примесей замещения/внедрения в широком диапазоне концентраций. Также впервые будут исследованы фотофизические механизмы направленной, активной атермической (квантовой) структурной и оптической избирательной трансформации комплексов точечных дефектов в природных алмазах с применением высокопроизводительных лазерных систем генерирующих ультракороткие импульсы, и на их основе разработаны инновационные технологии пространственного формирования оптически-активных центров в алмазах способных служить основой для квантовой электроники, а также для формирования идентифицирующих кристаллы лазерных подписей. Будут отработаны инновационные методы создания и использования высокоиндексной (с показателем преломления, близким к таковому для алмаза для видимого, ближнего и среднего ИК диапазонов, где расположены все полосы поглощения и флуоресценции точечных дефектов) твердой иммерсии для широкополосной спектральной идентификации, оптико-микроскопической инспекции и лазерной модификации комплексов оптически-активных точечных дефектов в объеме неограненных алмазов, и на их основе разработаны соответствующие инновационные технологии, которые на сегодняшний день отсутствуют, но крайне востребованы алмазной индустрией (см. письмо АК «АЛРОСА»). Реализация проекта позволит создать полностью цифровые, интеллектуальные инновационные технологии роботизированной идентификации и трейсинга (отслеживания) алмазов во всей цепочке движения алмазов – от извлечения на обогатительной фабрики до их продажи, с использованием в маркетинговых целях создаваемых больших баз данных добытых природных алмазов, их машинного анализа с использованием систем машинного обучения и искусственного интеллекта, что в свою очередь позволит защитить крупного отечественного производителя АК "АЛРОСА" (ПАО) от недобросовестной конкуренции, что имеет большое имиджевое, социально-экономическое значение для Российской федерации.

Ожидаемые результаты
Будут детально изучены точечные и протяженные дефекты в алмазной кристаллической решетке, с различными типами природных примесей замещения/внедрения в широком диапазоне концентраций последних, разработаны соответствующие технологии пассивной широкополосной (УФ-средний ИК диапазоны) их автоматизированной идентификации и расчета концентраций для формирования баз данных. Для этих целей будут использованы как результаты экспериментальных исследований, математического разложения спектральных данных так и кристаллохимические симуляции. На основании энергоактивационных численных параметров и регистрируемых на алмазных пластинах последовательных трансформаций нанокомплексов дефектов в ростовых зонах кристаллов, будут уточнены алгоритмы определения возраста и температуры образования природных алмазов. В настоящее время известно около 160 видов оптически-активных в люминесценции и поглощении центров, однако до сих пор нет надежных структурных моделей для абсолютного большинства наблюдаемых центров. Широкополосная идентификация нанокомплексов пространственных и планарных дефектов в алмазной кристаллической решетке, а также установление их концентрационных зависимостей имеет высокую научную значимость и соответствует мировому уровню исследований. Будут исследованы фотофизические механизмы направленной, активной атермической (квантовой) структурно-оптической избирательной трансформации нанокомплексов точечных, пространственных и планарных дефектов в природных алмазах с различными типами природных примесей замещения/внедрения в широком диапазоне концентраций последних примесей с помощью высокопроизводительных лазерных систем ультракоротких импульсов путем лазерной генерации высокой плотности дополнительных френкелевских пар "междоузлие-вакансия" или спектрально-селективного возбуждения, трансформации или разрушения оптически-активных нанокомплексов дефектов, и на их основе разработаны соответствующие инновационные технологии. Данные исследования составляют «ноу-хау» проекта, их научную, фундаментальную и практическую значимость трудно переоценить. С помощью направленной, активной атермической структурно-оптической избирательной трансформации нанокомплексов точечных и протяженных дефектов возможно формирование лазерных микроподписей кристаллов и других изображений или функциональных наноэлементов, которые могут стать основой квантовой нанофотоники в данной области. Будут реализованы методы измерения пространственных распределений комплексной амплитуды когерентных световых пучков, основанных на использовании компьютерного голографического синтеза и алгоритмов математической оптимизации, с учетом их поляризации и деполяризации, предполагающие исследование и разработку методов использования алгоритмов решения уравнения переноса интенсивности для восстановления комплексной амплитуды пучка в заданной плоскости по распределениям интенсивности зарегистрированных в других двух или нескольких плоскостях и оптических схем, реализующих эти методы. Будет исследован и разработан комплекс новых методов решения задач распространения оптического излучения в регулярных средах для описания структуры оптических полей, диагностики энергетических, фазовых и поляризационных характеристик волновых пучков, изучены особенности распространения световых пучков и формирования изображений, полученных голографической поляризационной записью, в условиях флуктуации интенсивности источников света. В результате проекта будут созданы иммерсионные составы с показателем преломления, близким к показателю преломления алмаза для видимого и ближнего ИК диапазонов, в которых расположены все полосы поглощения и флуоресценции точечных дефектов в алмазе. На сегодня коммерчески доступны десятки различных жидких иммерсионных составов, однако их показатель преломления практически не превышает 1,8. По итогам длительного сотрудничества команды проекта с представителями алмазной индустрии (АК «АЛРОСА», смоленский завод «Кристалл», «Бриллианты АЛРОСЫ», Институт «Якутнипроалмаз», Научно-исследовательское геологическое предприятие (НИГП), и др.) можно утверждать, что с их стороны существует высокий запрос на иммерсионные составы с показателем преломления (n), близким к таковому для алмаза. Они позволят визуализировать внутреннюю структуру необработанного драгоценного камня (оптические неоднородности, вкрапления, трещины и т.п.) без применения дорогостоящих методов компьютерной томографии, т.е. «заглянуть» внутрь камня сквозь его естественную рельефную поверхность (см. письмо АК «АЛРОСА»). Такие составы сделали бы возможным применение спектроскопических методов с высоким пространственным разрешением именно к необработанным алмазам, что критически важно и для добывающих компаний, и для огранщиков, и для геммологов, в том числе, для идентификации алмазов при трейсинге. Иммерсионные составы с показателем преломления, близким к n алмаза также стали бы мощным инструментом в научных исследованиях. На сегодняшний день активно развиваются исследования точечных дефектов кристаллов алмаза, например NV и SiV, исследования механизмов лазерной генерации вакансий и локального лазерного отжига. Использование иммерсий с высоким показателем преломления при манипуляциях с NV, SiV и иными точечными дефектами позволит увеличить числовые апертуры используемых объективов, а также снизить (вплоть до нуля) сферические аберрации, которые являются одним из главных факторов, ограничивающих пространственное разрешение при работе с алмазами. В настоящем проекте высокоиндексные твердые иммерсии будут использованы для широкополосной (УФ-средний ИК) спектральной идентификации, оптико-микроскопической инспекции и лазерной модификации нанокомплексов точечных дефектов в объеме неограненных алмазов. Реализация проекта позволит создать полностью цифровые, интеллектуальные инновационные технологии роботизированной идентификации и трейсинга (отслеживания) алмазов во всей цепочке движения алмазов – от извлечения на обогатительной фабрики до их продажи, с использованием в маркетинговых целях создаваемых больших баз данных добытых природных алмазов, их машинного анализа с использованием систем машинного обучения и искусственного интеллекта, что в свою очередь позволит защитить крупного отечественного производителя АК "АЛРОСА" (ПАО) от недобросовестной конкуренции, что имеет большое имиджевое, социально-экономическое значение для Российской федерации.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ