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Échantillon de diamant présentant le défaut NsH-C0, avec des zones de couleurs différentes indiquant une teneur variable en défauts. Crédit : Junn Keat/Université de Warwick

Échantillon de diamant présentant le défaut NsH-C0, avec des zones de couleurs différentes indiquant une teneur variable en défauts. Crédit : Junn Keat/Université de Warwick

Des pièges à chaleur nanoscopiques surprenants découverts dans les diamants

par La rédaction
2 janvier 2026
en Nanotechnologie, Technologie

Des scientifiques découvrent des « points chauds » autour de défauts atomiques dans les diamants remettant en question les hypothèses sur le meilleur conducteur de chaleur au monde.

Le diamant, célèbre en science des matériaux pour être le meilleur conducteur de chaleur naturel sur Terre – mais de nouvelles recherches révèlent qu’à l’échelle atomique, il peut brièvement piéger la chaleur de manière inattendue. Ces découvertes pourraient influencer la façon dont les scientifiques conçoivent les technologies quantiques à base de diamant, y compris les capteurs ultra-précis et les futurs ordinateurs quantiques.

Dans une étude publiée dans Physical Review Letters, des chercheurs de l’Université de Warwick et leurs collaborateurs ont montré que lorsque certains défauts à l’échelle moléculaire dans le diamant sont excités par la lumière, ils créent de minuscules « points chauds » de courte durée qui déforment momentanément le cristal environnant. Ces distorsions ne durent que quelques billionièmes de seconde mais sont suffisamment longues pour affecter le comportement des défauts pertinents pour le quantique.

« Trouver un état fondamental chaud pour un défaut à l’échelle moléculaire dans le diamant a été extrêmement surprenant pour nous », explique le professeur James Lloyd-Hughes, Département de physique, Université de Warwick. « Le diamant est le meilleur conducteur thermique, on s’attendrait donc à ce que le transport d’énergie empêche un tel effet. Cependant, à l’échelle nanométrique, certains phonons – des paquets d’énergie vibrationnelle – persistent près du défaut, créant un environnement chaud miniature qui exerce une pression sur le défaut lui-même. »

L’équipe a étudié un défaut atomique spécifique dans le diamant où un atome d’azote se trouve à la place d’un atome de carbone et se lie à l’hydrogène – connu sous le nom de défaut Ns:H-C0. Lorsque les chercheurs ont excité la liaison C–H du défaut avec des impulsions laser infrarouges ultrarapides, ils s’attendaient à ce que la chaleur se dissipe immédiatement dans le réseau cristallin du diamant.

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Au lieu de cela, une spectroscopie avancée a révélé un effet curieux : le défaut est brièvement entré dans ce que les scientifiques appellent un « état fondamental chaud » – ce qui signifie que le cristal environnant était encore chaud et que le défaut était altéré. La présence d’énergie vibrationnelle accumulée à proximité a décalé la signature infrarouge du défaut vers une énergie plus élevée, prenant quelques picosecondes pour atteindre un pic puis décroître.

Le Dr Junn Keat, PDRA, Département de physique, Université d’Oxford et ancien doctorant à Warwick, déclare : « Pour cette étude, nous avons utilisé la spectroscopie cohérente multidimensionnelle (2DIR) pour étudier le défaut, ce qui nous permet de séparer la réponse du défaut produite par la lumière avec différentes énergies. C’est la première fois que nous appliquons cette technique à l’étude des défauts du diamant, et l’observation directe de la formation d’un état fondamental chaud a dépassé nos attentes. Nous sommes très satisfaits des résultats de cette approche novatrice et sommes impatients de voir ce que nous pouvons étudier d’autre avec cette technique. »

L’équipe a également expliqué pourquoi le diamant ne parvient pas à évacuer cette énergie instantanément. Le défaut libère son énergie en générant des phonons particuliers de grande énergie – le type de vibrations qui ne se propagent pas loin. Ces phonons se déplacent lentement et se dispersent rapidement, créant une minuscule bulle de chaleur autour du défaut avant de finalement se décomposer en vibrations plus rapides et transportant la chaleur.

Échantillon de diamant présentant le défaut NsH-C0 sous illumination UV. Crédit : Junn Keat/Université de Warwick
Échantillon de diamant présentant le défaut NsH-C0 sous illumination UV. Crédit : Junn Keat/Université de Warwick. Crédit : Junn Keat/Université de Warwick

Le Dr Jiahui Zhao, Département de physique, Université de Warwick, ajoute : « Le chauffage local momentané est important car les défauts sont de minuscules systèmes quantiques sensibles, et même des changements fugaces dans leur environnement peuvent affecter leur stabilité, leur précision et leur utilité dans les technologies quantiques. »

Les défauts comme les centres azote-lacune (NV) et silicium-lacune (SiV) dans le diamant servent de capteurs sensibles et de blocs de construction pour le traitement de l’information quantique. Leur performance dépend du maintien de la stabilité de leurs états de spin – et ces états de spin sont fortement influencés par les vibrations dans le réseau environnant.

Les nouvelles découvertes indiquent que les techniques optiques utilisées pour contrôler les défauts peuvent générer involontairement de petites poches de chaleur de courte durée. Ces pics de température locaux peuvent perturber subtilement les états de spin, affectant potentiellement les temps de cohérence et les performances globales des dispositifs quantiques à base de diamant.

Article : Hot-Phonon-Induced Distortion of Diamond Defects on Ultrafast Timescales – Journal : Physical Review Letters – Méthode : Experimental study – DOI : dx.doi.org/10.1103/mvdf-bdrx

Source : Université de Warwick

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Tags: defautdiamantphononquantique
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Scientists discover “hot spots” around atomic defects in diamonds – challenging assumptions about the world’s best heat conductor.

Diamond, famous in material science for being the best natural heat conductor on Earth – but new research reveals that, at the atomic scale, it can briefly trap heat in unexpected ways. The findings could influence how scientists design diamond-based quantum technologies, including ultra-precise sensors and future quantum computers.

In a study published in Physical Review Letters, researchers from University of Warwick and collaborators showed that when certain molecular-scale defects in diamond are excited with light, they create tiny, short-lived “hot spots” that momentarily distort the surrounding crystal. These distortions last only a few trillionths of a second but are long enough to affect the behaviour of quantum-relevant defects.

“Finding a hot ground state for a molecular-scale defect in diamond was extremely surprising for us”, explained Professor James Lloyd-Hughes, Department of Physics, University of Warwick. “Diamond is the best thermal conductor, so one would expect energy transport to prevent any such effect. However, at the nanoscale some phonons – packets of vibrational energy – hang around near defect, creating a miniature hot environment that pushes on the defect itself.”

The team studied a specific atomic defect in diamond where a nitrogen atom sits in place of a carbon atom and bonds to hydrogen – known as the Ns:H-C0 defect. When the researchers excited the defect’s C–H bond with ultrafast infrared laser pulses, they expected the heat to dissipate immediately into the diamond lattice.

Instead, advanced spectroscopy revealed a curious effect: the defect briefly entered what scientists call a ‘hot ground state’ – meaning the surrounding crystal was still hot, and the defect was altered. The presence of built-up vibrational energy nearby shifted the defect’s infrared signature to a higher energy, taking a few picoseconds to peak and then decay.

Dr. Junn Keat, PDRA, Department of Physics, University of Oxford and former PhD student at Warwick said: “For this study we used multidimensional coherent spectroscopy (2DIR) to study the defect, which allows us to separate the response of the defect produced by light with different energies.

“This is the first time we’ve applied this technique to the study of diamond defects, and the direct observation of hot ground state formation was beyond our expectations. We are very pleased with the results of this novel approach and are excited to see what else we can study with this technique.”

The team also explained why diamond fails to remove this energy instantly. The defect releases its energy by generating particular phonons with large energy – the kinds of vibrations that do not travel far. These phonons move slowly and scatter quickly, creating a tiny bubble of heat around the defect before they eventually decay into faster-moving, heat-carrying vibrations.

Dr. Jiahui Zhao, Department of Physics, University of Warwick added: “Momentary local heating matters because defects are tiny, sensitive quantum systems, and even fleeting changes in their environment can affect their stability, precision, and usefulness in quantum technologies.”

Defects like the nitrogen-vacancy (NV) and silicon-vacancy (SiV) centres in diamond serve as sensitive sensors and building blocks for quantum information processing. Their performance depends on keeping their spin states stable—and these spin states are strongly influenced by vibrations in the surrounding lattice.

The new findings indicate that optical techniques used to control defects may unintentionally generate small, short-lived pockets of heat. These local temperature spikes can subtly disturb the spin states, potentially affecting coherence times and the overall performance of diamond-based quantum devices.

ENDS

‘Hot-Phonon-Induced Distortion of Diamond Defects on Ultrafast Timescales’ is published in Physical Review Letters. DOI: https://doi.org/10.1103/mvdf-bdrx

Notes to Editors

For more information please contact:

Matt Higgs, PhD | Media & Communications Officer (Warwick Press Office)

Email: Matt.Higgs@warwick.ac.uk | Phone: +44(0)7880 175403

About the experiment

This project was a collaborative effort between universities, national research facilities, and industry. The 2DIR measurements were only made possible due to the support and 2DIR setup provided by the ULTRA team at the Central Laser Facility. The facilities and expertise locally available at the Spectroscopy RTP and the Warwick Centre for Ultrafast Spectroscopy RTP were crucial. The samples used in this study was provided by the De Beers Group. Meanwhile, theoretical calculations presented in the work were done by collaborators in Newcastle University.

About the University of Warwick

Founded in 1965, the University of Warwick is a world-leading institution known for its commitment to era-defining innovation across research and education. A connected ecosystem of staff, students and alumni, the University fosters transformative learning, interdisciplinary collaboration and bold industry partnerships across state-of-the-art facilities in the UK and global satellite hubs. Here, spirited thinkers push boundaries, experiment and challenge conventions to create a better world.

Journal

Physical Review Letters

DOI

10.1103/mvdf-bdrx

Method of Research

Experimental study

Subject of Research

Not applicable

Article Title

Hot-Phonon-Induced Distortion of Diamond Defects on Ultrafast Timescales

Article Publication Date

18-Nov-2025

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