Onderzoekers gebruiken goudfilm om kwantumdetectie te verbeteren met qubits in een 2D-materiaal

Kwantumdetectie wordt gebruikt om moderne detectieprocessen te overtreffen door kwantummechanica toe te passen op ontwerp en engineering. Deze geoptimaliseerde processen helpen de huidige limieten te verslaan in processen zoals het bestuderen van magnetische materialen of het bestuderen van biologische monsters. Kortom, kwantum is de volgende grens in detectietechnologie.

Nog in 2019 werden spindefecten, bekend als qubits, ontdekt in 2D-materialen (hexagonaal boornitride) die het veld van ultradunne kwantumdetectie zouden kunnen versterken. Deze wetenschappers liepen een addertje onder het gras in hun ontdekking die een wetenschappelijke race heeft ontketend om de problemen op te lossen. Hun gevoeligheid werd beperkt door hun lage helderheid en het lage contrast van hun magnetische resonantiesignaal. Nog maar twee weken geleden op 9 augustus 2021, Natuurfysica publiceerde een artikel met de titel “kwantumsensoren gaan plat”, waarin ze de voordelen benadrukten en ook de huidige tekortkomingen schetsten van deze nieuwe en opwindende manier om via qubits in 2D-materialen te meten.

Een team van onderzoekers van Purdue ging de uitdaging aan om de tekortkomingen van het qubit-signaal in hun werk te overwinnen om ultradunne kwantumsensoren met 2D-materialen te ontwikkelen. Hun publicatie in Nano-letters werd vandaag, 2 september 2021, gepubliceerd en ze hebben enkele van de kritieke problemen opgelost en veel betere resultaten opgeleverd door middel van experimenten.

Wat deden ze anders? Dr. Tongcang Li, universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde en elektrische en computertechniek, legt uit dat goudfilm hielp bij deze doorbraak.

“Tijdens ons werk hebben we een gouden film gebruikt om de helderheid van spin-qubits tot wel 17 keer te verhogen”, zegt Li. “De goudfilm ondersteunt het oppervlakteplasmon dat de fotonenemissie kan versnellen, zodat we meer fotonen en dus meer signalen kunnen verzamelen. Bovendien hebben we het contrast van hun magnetische resonantiesignaal met een factor 10 verbeterd door het ontwerp van een microgolfgolfgeleider te optimaliseren Als resultaat hebben we de gevoeligheid van deze spindefecten voor het detecteren van magnetisch veld, lokale temperatuur en lokale druk aanzienlijk verbeterd.”

Dit onderzoek werd volledig uitgevoerd aan de Purdue University en was een samenwerking tussen meerdere afdelingen. Alle twaalf auteurs van dit artikel zijn van Purdue University: Xingyu Gao, Boyang Jiang, Andres E. Llacsahuanga Allcca, Kunhong Shen, Mohammad A. Sadi, Abhishek B. Solanki, Peng Ju, Zhujing Xu, Pramey Upadhyaya, Yong P. Chen, Sunil A. Bhave en Tongcang Li. De eerste auteur, Xingyu Gao, is een afgestudeerde student die in het laboratorium van Li werkt.

“Dit artikel documenteert de resultaten van de samenwerking tussen prof. Sunil A. Bhave, prof. Yong P. Chen, prof. Pramey Upadhyaya en mijn onderzoeksgroep”, zegt Li. “De samenwerkingssfeer bij Purdue is cruciaal voor ons om deze resultaten snel te produceren.”

In dit experiment paste de groep een groene laser en een magnetron toe op deze spin-qubits in een 2D-materiaal. Het materiaal zendt dan fotonen uit met verschillende kleuren (rood en nabij-infrarood) onder de verlichting van een groene laser. De snelheid van fotonenemissie hangt af van het magnetische veld, de temperatuur en de druk. Daarom zal de helderheid van deze spin-qubits veranderen wanneer het magnetische veld, de temperatuur of de druk verandert. Zo waren ze in staat om het magnetische veld nauwkeurig te meten met een hoge gevoeligheid.

In de toekomst is de groep van plan om deze spin-qubits te gebruiken om nieuwe materialen te bestuderen. Ze hopen ook het signaal verder te verbeteren, zodat een enkele spin-qubit in een 2D-materiaal kan worden gebruikt voor kwantumdetectie met ongekende gevoeligheid en resolutie.