Физики рассказали, как алмазы маркируют с помощью QR-кода

Ученые выяснили механизм, с помощью которого лазером на алмазы наносятся микроповреждения — своего рода уникальный QR-код, позволяющий отличить один драгоценный камень от другого. Такая «маркировка» помогает ювелирам избегать подделок крупных и очень дорогих алмазов, но пока не используется массово. Знание механизма микроповреждения алмазов позволит доработать устройства для промышленного применения технологии. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Carbon.

Сегодня, чтобы проследить судьбу драгоценных камней от момента их добычи до огранки и продажи, чаще всего их просто фотографируют или сканируют для получения 3D-модели. Однако такие методы недостаточно надежны, поэтому ученые разработали альтернативный подход — фотолюминесцентную маркировку с помощью лазера. В этом случае на драгоценный камень воздействуют очень короткими лазерными импульсами, которые в определенной степени меняют кристаллическую структуру алмаза. В частности, лазер воздействует на примеси, содержащиеся в камне — например, атомы азота, — и тем самым создает микрорисунок в виде QR-кода. Несмотря на то, что такой подход уже используется для маркировки очень крупных и дорогих алмазов, общий механизм, по которому меняется структура примесей в них, не известен. Это не позволяет использовать такую технологию в промышленных масштабах.

Ученые из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (Москва) детально исследовали, как взаимодействует свет с кристаллами алмаза на атомном уровне. Для этого авторы использовали метод комбинационного рассеяния света, при котором образец облучают лазером и анализируют рассеянный свет. Такой подход позволил обнаружить микроскопические дефекты кристаллической решетки драгоценных камней.

Оказалось, что под действием лазера атомы в кристаллической решетке алмаза начинают колебаться. В результате атомы углерода, находящиеся в узлах элементарных ячеек кристалла, покидают свои места. Уходя, они оставляют «пустоты», то есть дефекты. Эти дефекты взаимодействуют с примесными атомами азота в драгоценном камне, изменяя их структуру и спектр поглощения. В результате формируется уникальный «рисунок» микродефектов, который и называют QR-кодом. Такие записи нельзя рассмотреть невооруженным глазом, а также невозможно удалить, кроме того, они не влияют на чистоту камня, так как крайне малы.

Механизм микромаркировки можно использовать не только для алмазов, но и для других прозрачных кристаллов, например, для кварца, поскольку в этом случае под действием лазера также изменяется структура и оптические характеристики атомов в кристаллической решетке. Четкое понимание основных процессов лазерной маркировки позволит расширить возможности и оптимизировать процесс нанесения микрометок.