Onderzoekers slagen erin kwantumsensoren op nanoschaal op gewenste doelen te plaatsen

Wetenschappers van de Universiteit van Tokio hebben de delicate taak volbracht om kwantumsensoren op nanoschaal te rangschikken, waardoor ze extreem kleine variaties in magnetische velden kunnen detecteren. De kwantumsensoren met hoge resolutie zullen mogelijk worden gebruikt in onderzoek naar kwantummaterialen en elektronische apparaten. De sensoren kunnen bijvoorbeeld helpen bij het ontwikkelen van harde schijven die nanomagnetische materialen gebruiken als opslagelementen. Dit is ’s werelds eerste succesvolle magnetische veldbeeldvorming met hoge resolutie met behulp van een opstelling van kwantumsensoren op nanoschaal.

Sensoren omringen ons in ons dagelijks leven, van garageverlichting tot rookmelders en zelfs atomen. Quantumsensoren voelen de omgeving om hen heen met behulp van de eigenschappen van een atoom. Een atoom verandert bijvoorbeeld zijn spin, die twee waarden aanneemt, zoals de polen van een magneet, als reactie op een magnetisch veld. Magneetveldsensoren hebben veel toepassingen in biomedische apparaten en onderzoek naar kwantummaterialen, waaronder supergeleiders.

Kento Sasaki, een assistent-professor aan de Universiteit van Tokio, zegt: “Met behulp van zo’n ongekende sensor willen we een microscopische wereld observeren die nog nooit iemand heeft gezien.”

De onderzoekers wilden stabiele kwantumsensoren ontwikkelen die in de buurt van de doelen, zoals draden en schijven, werden geplaatst. Maar tot nu toe was het een uitdaging om atomen precies zo te rangschikken dat ze minieme variaties in het magnetische veld kunnen waarnemen.

“Hoewel individuele kwantumsensoren klein zijn, wordt hun ruimtelijke resolutie beperkt door de afstand tussen de sensor en het meetdoel”, zegt Sasaki. Om het probleem op te lossen, ontwikkelden de onderzoekers een techniek om kwantumsensoren van nanoformaat op het oppervlak van het meetdoel te maken.

Als kwantumsensoren gebruikte het team boorvacatures of roosterdefecten in het tweedimensionale hexagonale boornitride, een dun kristallijn materiaal met stikstof- en booratomen. Het borium-leegstandsdefect is het nieuwe kind in het blok sinds zijn ontdekking als kwantumspinsensor in 2020.

Door het plakband van het kristal te trekken, verkreeg het team een ​​dunne zeshoekige boornitridefilm. De onderzoekers bevestigden de dunne film aan de beoogde gouddraad. Vervolgens bombardeerden ze de film met een supersnelle heliumionenbundel, waardoor booratomen eruit sprongen en de boorvacatures van 100 nm werden gevormd.².

Elke plek bevat veel vacatures ter grootte van een atoom die zich gedragen als kleine magnetische naalden. Hoe dichter de spots bij elkaar staan, hoe beter de ruimtelijke resolutie van de sensoren. Terwijl de stroom door de draad vloeide, mat het team het magnetische veld op elke plek op basis van de intensiteit van het licht dat door de plekken werd uitgestraald in de aanwezigheid van microgolven. De onderzoekers waren verbaasd toen de gemeten waarden van het magnetische veld nauw overeenkwamen met de gesimuleerde waarden, wat de effectiviteit van de kwantumsensoren met hoge resolutie aantoonde.

De verandering in de spintoestand van de sensor in aanwezigheid van een magnetisch veld kan zelfs bij kamertemperatuur worden gedetecteerd, waardoor het lokale magnetische veld en de stromen gemakkelijk kunnen worden gedetecteerd. Bovendien hechten de boornitride-nanofilms zich alleen aan objecten door de van der Waals-kracht, wat betekent dat de kwantumsensoren gemakkelijk aan verschillende materialen blijven kleven.

Sasaki en zijn team zijn van plan deze techniek toe te passen voor onderzoek naar de fysica van gecondenseerde materie en kwantummaterialen. “Het zal directe detectie van het magnetische veld mogelijk maken van bijvoorbeeld eigenaardige toestanden aan de randen van grafeen en microscopische kwantumdots”, voegt Sasaki toe.

Kwantumsensoren ter grootte van een atoom beginnen een revolutie teweeg te brengen in de manier waarop we microscopische omgevingen waarnemen en dus ook macroscopische eigenschappen begrijpen. Hun toepassingen reiken verder dan fundamenteel wetenschappelijk onderzoek. Ze kunnen helpen bij het in beeld brengen van menselijke hersenen, nauwkeurig geolokaliseren, ondergrondse omgevingen in kaart brengen en tektonische verschuivingen en vulkaanuitbarstingen detecteren. Sasaki en zijn team wachten op het mogelijke gebruik van hun kwantumsensoren op nanoschaal in halfgeleiders, magnetische materialen en supergeleiders.

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Toegepaste natuurkundebrieven.