Экспериментальная установка квантового датчика hBN от UTS и RMIT. Кредит: Университет RMIT
Исследователи из TMOS, Центра передового опыта ARC по преобразующим метаоптическим системам, и их коллеги из Университета RMIT разработали новый двумерный квантовый сенсорный чип с использованием гексагонального нитрида бора (hBN), который может одновременно обнаруживать температурные аномалии и магнитное поле в любом направлении в новом, новаторском тонкопленочном формате.
В своей статье, опубликованной в Nature Communications, они подробно описывают датчик, который значительно тоньше, чем текущая квантовая технология для магнитометрии, что прокладывает путь для более дешевых и универсальных квантовых датчиков.
На сегодняшний день квантовые сенсорные чипы изготавливаются из алмаза, поскольку это очень надежная платформа. Однако ограничения датчиков на основе алмаза заключаются в том, что они могут обнаруживать магнитные поля только при выравнивании по направлению поля. Если они не выровнены, у них большие слепые зоны. В результате магнитометры, изготовленные из алмаза, должны содержать несколько датчиков с различной степенью выравнивания.
Это увеличивает сложность эксплуатации и, как следствие, универсальность использования в различных приложениях. Кроме того, жесткая и трехмерная природа квантового датчика означает, что его способность приближаться к образцам, которые не являются идеально гладкими, ограничена.
TMOS Ассоциированный исследователь Жан-Филипп Тетьен (RMIT University) и главный исследователь Игорь Ааронович (University of Technology Sydney) и их команды являются пионерами новой платформы квантового зондирования с использованием hBN. Эти кристаллы hBN состоят из слоев атомно-толстых листов и являются гибкими, что позволяет чувствительным чипам соответствовать форме изучаемого образца, приближаясь к образцу гораздо ближе, чем алмаз.
В hBN существуют различные дефекты, вызывающие разные оптические явления. Недавно обнаруженный дефект на основе углерода, атомная структура которого остается неидентифицированной, обнаруживает магнитные поля в любом направлении, но до сих пор не использовался для магнитной визуализации.
В попытке определить структуру неопознанного дефекта команда провела эксперимент по измерению Раби и сравнила результаты с хорошо изученным дефектом вакансии бора, который также существует в hBN. Этот дефект вакансии бора можно использовать для измерения температуры на квантовом уровне. Благодаря этому сравнению они обнаружили, что новый дефект ведет себя как система с полуспинами. Эта природа полуспиновых дефектов углерода позволяет датчику обнаруживать магнитные поля в любом направлении.
Команда определила, что этот новый датчик полуспинового типа на основе углерода может управляться посредством электрического возбуждения, так же, как датчик вакансий бора, и что их можно настроить для взаимодействия друг с другом. Воодушевленные этими открытиями, они приступили к демонстрации чипа сенсора hBN, который может одновременно использовать оба дефекта спина для измерения магнитного поля и температуры. В их статье показаны первые магнитные изображения, когда-либо полученные с помощью этого неопознанного изотропного датчика.
Соавтор первой статьи Сэм Шолтен из Университета RMIT говорит: «Оптически адресуемые спиновые дефекты в твердых телах образуют жизненно важный инструментарий в области квантовых материалов из-за их потенциала использования в качестве наномасштабных квантовых датчиков и, в более общем плане, в качестве надежных квантовых систем комнатной температуры.
«Уникальность и интерес hBN обусловлены его двумерной формой, которая позволяет нашим датчикам гораздо ближе подходить к образцу».
Соавтор Прия Сингх из Университета RMIT говорит: «Алмазные спины уже более десятилетия используются в биологических системах в качестве зонда in situ. Я с нетерпением жду возможности перенести наш hBN в непрерывно движущуюся клеточную среду, где независимость датчика от направления будет преимуществом».
Главный исследователь TMOS Игорь Ааронович говорит: «hbN имеет много преимуществ перед алмазом в качестве квантового источника света для связи и зондирования. В дополнение к своему сверхтонкому форм-фактору, он также может работать как квантовый источник света для связи при комнатной температуре, где алмаз часто требует криогенного охлаждения. hBN также намного дешевле и доступнее алмаза».
В целом, эти новые низкоразмерные материалы предлагают шанс открыть новую физику из-за их экстремальной анизотропии. Потенциальные будущие приложения для этой технологии квантового зондирования включают идентификацию магнитных геологических особенностей в полевых условиях. Спиновая половинная природа дефекта также позволит проводить радиоспектроскопию в более широком диапазоне, чем конкурирующие технологии.
Младший исследователь TMOS Жан-Филипп Тетьен говорит: «Следующим шагом в этом исследовании является определение того, какие атомные дефекты есть в hBN. Понимая их состав, мы можем добиться прогресса в проектировании сенсорных устройств для оптимальной производительности.
«Я взволнован исследованием свойств и возможностей этого нового оптического спинового дефекта. Его природа половинного спина является новой для нашего сообщества, и есть много вопросов, на которые нужно ответить.»
Дополнительная информация: Сэм С. Шолтен и др., Многовидовые оптически адресуемые спиновые дефекты в материале Ван-дер-Ваальса, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51129-8
Информация о журнале: Nature Communications
Предоставлено Австралийским исследовательским советом
