Studie toont aan dat hexagonaal boornitride het potentieel heeft om diamant te vervangen als kwantumgevoelig materiaal

Diamant is al lang het go-to-materiaal voor kwantumdetectie vanwege de coherente stikstof-vacaturecentra, regelbare spin, gevoeligheid voor magnetische velden en het vermogen om bij kamertemperatuur te worden gebruikt. Met zo’n geschikt materiaal dat zo gemakkelijk te fabriceren en te schalen is, is er weinig interesse geweest in het verkennen van alternatieven voor diamant.

Maar deze GEIT van de kwantumwereld heeft één achilleshiel: hij is te groot. Net zoals een NFL-linebacker niet de beste sporter is om in de Kentucky Derby te rijden, is diamant geen ideaal materiaal bij het verkennen van kwantumsensoren en informatieverwerking. Wanneer diamanten te klein worden, begint het superstabiele defect waar het bekend om staat af te brokkelen. Er is een grens waarbij diamant onbruikbaar wordt.

Voer hBN in

hBN werd eerder over het hoofd gezien als een kwantumsensor en een platform voor kwantuminformatieverwerking. Dit veranderde onlangs toen een aantal nieuwe defecten werden ontdekt die dreigende concurrenten te worden van de stikstofvacaturecentra van diamant.

Hiervan is het boorvacaturecentrum (een enkel ontbrekend atoom in het hBN-kristalrooster) naar voren gekomen als het meest veelbelovende tot nu toe. Het kan echter in verschillende laadtoestanden bestaan ​​en alleen de -1 laadtoestand is geschikt voor op spin gebaseerde toepassingen. De andere ladingstoestanden waren tot nu toe een uitdaging om te detecteren en te bestuderen. Dit was problematisch omdat de laadtoestand kan flikkeren en kan schakelen tussen de -1 en 0 toestanden, waardoor deze onstabiel wordt, vooral in de soorten omgevingen die typerend zijn voor kwantumapparaten en sensoren.

Maar zoals geschetst in een paper gepubliceerd in Nano-brievenhebben onderzoekers van TMOS, het ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems, een methode ontwikkeld om de -1-toestand te stabiliseren, en een nieuwe experimentele benadering voor het bestuderen van de ladingstoestanden van defecten in hBN met behulp van optische excitatie en gelijktijdige bestraling met elektronenstralen.

Co-hoofdauteur Angus Gale zegt: “Dit onderzoek toont aan dat hBN het potentieel heeft om diamant te vervangen als het preferentiële materiaal voor kwantumdetectie en kwantuminformatieverwerking, omdat we de atoomdefecten kunnen stabiliseren die ten grondslag liggen aan deze toepassingen, resulterend in 2D hBN-lagen die zouden kunnen zijn geïntegreerd in apparaten waar diamant niet kan zijn.”

Mede-hoofdauteur Dominic Scognamiglio zegt: “We hebben dit materiaal gekarakteriseerd en unieke en zeer coole eigenschappen ontdekt, maar de studie van hBN bevindt zich nog in de kinderschoenen. Er zijn geen andere publicaties over het wisselen van ladingstoestand, manipulatie of stabiliteit van boorvacatures. , daarom zetten we de eerste stap om deze leemte in de literatuur op te vullen en dit materiaal beter te begrijpen.”

Hoofdonderzoeker Milos Toth zegt: “De volgende fase van dit onderzoek zal zich richten op pompsondemetingen waarmee we defecten in hBN kunnen optimaliseren voor toepassingen in detectie en geïntegreerde kwantumfotonica.”

Quantum sensing is een snel opkomend veld. Kwantumsensoren beloven een betere gevoeligheid en ruimtelijke resolutie dan conventionele sensoren. Van de vele toepassingen is een van de meest kritieke voor Industry 4.0 en de verdere miniaturisering van apparaten de nauwkeurige detectie van temperatuur en elektrische en magnetische velden in micro-elektronische apparaten. In staat zijn om deze aan te voelen, is de sleutel tot het beheersen ervan.

Thermisch beheer is momenteel een van de factoren die de prestaties van geminiaturiseerde apparaten beperken. Nauwkeurige kwantumdetectie op nanoschaal helpt oververhitting van microchips te voorkomen en de prestaties en betrouwbaarheid te verbeteren.

Quantum sensing heeft ook belangrijke toepassingen in de medtech-sfeer, waar het vermogen om magnetische nanodeeltjes en moleculen te detecteren op een dag zou kunnen worden gebruikt als een injecteerbaar diagnostisch hulpmiddel dat naar kankercellen zoekt, of het zou de metabole processen in cellen kunnen volgen om de impact van medische behandelingen.

Om de boriumvacature-defecten in hBN te bestuderen, creëerde het TMOS-team een ​​nieuwe experimentele opstelling die een confocale fotoluminescente microscoop integreerde met een scanning-elektronenmicroscoop (SEM). Hierdoor konden ze tegelijkertijd de ladingstoestanden van boriumvacaturedefecten manipuleren met de elektronenstraal en elektronische microschakelingen, terwijl ze het defect meten.

Gale zegt: “De aanpak is nieuw omdat het ons in staat stelt om de laser te focussen op individuele defecten in hBN en deze in beeld te brengen, terwijl ze worden gemanipuleerd met behulp van elektronische circuits en met behulp van een elektronenstraal. Deze aanpassing aan de microscoop is uniek; het was ongelooflijk nuttig en onze workflow aanzienlijk gestroomlijnd.”

Het manipuleren van de ladingstoestand van spindefecten in hexagonaal boornitride

Negatief geladen boorvacatures (V_B⁻) in hexagonaal boornitride (hBN) hebben onlangs belangstelling gekregen als spindefecten voor kwantuminformatieverwerking en kwantumdetectie door een gelaagd materiaal. De boorvacature kan echter bestaan ​​in een aantal ladingstoestanden in het hBN-rooster, maar alleen de -1 toestand heeft spin-afhankelijke fotoluminescentie en fungeert als een spin-foton-interface. Hier onderzoeken we het schakelen van de laadtoestand van V_B defecten onder laser- en elektronenstraalexcitatie.

We demonstreren deterministische, omkeerbare omschakeling tussen de toestanden -1 en 0 (V_B⁻⇌V_B0 + e⁻), optredend met snelheden die worden gecontroleerd door overtollige elektronen of gaten die in hBN zijn geïnjecteerd door een gelaagd heterostructuurapparaat. Ons werk biedt een middel om de VB-laadtoestand te bewaken en te manipuleren, en om de -1-toestand te stabiliseren, wat een voorwaarde is voor optische spinmanipulatie en uitlezing van het defect.