La siguiente materia superior en el reino cuántico

El diamante ha sido durante mucho tiempo el material elegido para la detección cuántica, pero su tamaño limita sus aplicaciones. Investigaciones recientes destacan el potencial del hBN como alternativa, especialmente después de que los investigadores de TMOS hayan desarrollado formas de estabilizar sus defectos atómicos y estudiar sus estados de carga, abriendo puertas para su incorporación en dispositivos en los que el diamante no puede encajar.

El diamante ha mantenido durante mucho tiempo la corona en la detección cuántica, gracias a sus centros cohesivos de nitrógeno vacante, su rotación ajustable, su sensibilidad al campo magnético y su capacidad de operar a temperatura ambiente. Con un material tan adecuado, fácil de fabricar y su tamaño, ha habido poco interés en explorar alternativas al diamante.

Sin embargo, este gigante del campo cuántico tiene un agujero de seguridad. Es simplemente demasiado grande. Al igual que un apoyador de la NFL no es una de las mejores opciones para un jockey en el Derby de Kentucky, los diamantes fallan cuando se profundiza en los sensores cuánticos y el procesamiento de datos. Cuando el diamante se vuelve muy pequeño, el defecto súper estable por el que es famoso comienza a colapsar. Llega un punto en el que los diamantes se vuelven inútiles.

Introduzca HPN.

hBN ha sido pasado por alto anteriormente como sensor cuántico y plataforma de procesamiento de información cuántica. Esto ha cambiado recientemente cuando se descubrieron una serie de nuevos defectos que constituyen un competidor convincente para los puestos vacantes de nitrógeno de Diamond. Entre estos centros, el centro de vacantes de boro (falta uno maíz en la red cristalina de hBN) se ha convertido en el más prometedor hasta el momento.

Una configuración experimental en TMOS para estudiar defectos de vacantes de boro en hBN. Fuente: TMOS, Centro de Excelencia ARC en Sistemas Ópticos Transformacionales

Sin embargo, pueden existir en diferentes estados de carga y sólo el estado de carga -1 es adecuado para aplicaciones basadas en giro. Hasta ahora ha sido difícil descubrir y estudiar otros estados de carga. Esto fue un problema porque el estado de carga puede parpadear, cambiando entre los estados -1 y 0, volviéndolo inestable, especialmente en los tipos de entornos típicos de sensores y dispositivos cuánticos.

Pero como se explica en un artículo publicado en nano letrasinvestigadores de TMOS, el Centro de Excelencia ARC para Sistemas Fotónicos Transformacionales, han desarrollado un método para estabilizar el estado -1 y un nuevo enfoque experimental para estudiar estados de carga defectuosos en hBN utilizando excitación óptica e irradiación de haz de electrones sincronizada.

Los autores principales, Angus Gale y Dominic Scognamiglio, en su laboratorio de investigación. Fuente: TMOS, Centro de Excelencia ARC en Sistemas Ópticos Transformacionales

El coautor principal Angus Gill dice: «Esta investigación muestra que el hBN tiene el potencial de reemplazar al diamante como material preferencial para la detección cuántica y el procesamiento de información cuántica porque podemos estabilizar los defectos atómicos que sustentan estas aplicaciones, lo que da como resultado capas 2D de hBN que pueden «Incrustarse en dispositivos que no pueden contener diamantes».

«Hemos descrito este material y descubierto propiedades únicas y fascinantes, pero el estudio del hBN aún está en sus inicios -dice el coautor principal Dominique Scognamiglio-. No hay otras publicaciones sobre el cambio, la manipulación o la manipulación del estado de carga». estabilización de las vacantes de boro, por eso estamos dando el paso. El primero es cerrar esta brecha literaria y comprender mejor este material.

«La siguiente fase de esta investigación se centrará en mediciones de sondas de bomba que nos permitirán optimizar los defectos en hBN para aplicaciones de detección y fotónica cuántica integrada», dice el investigador principal Milos Toth.

La detección cuántica es un campo que avanza rápidamente. Los sensores cuánticos tienen mejor sensibilidad y resolución espacial que los sensores convencionales. Entre sus muchas aplicaciones, una de las más importantes de la Industria 4.0 y la miniaturización de dispositivos adicionales es la detección precisa de temperatura, así como de campos eléctricos y magnéticos en dispositivos microelectrónicos. Ser capaz de sentir estas cosas es la clave para controlarlas. La gestión térmica es actualmente uno de los factores limitantes a la hora de optimizar el rendimiento de los dispositivos en miniatura. Detección cuántica precisa nanoescala Ayudará a evitar el sobrecalentamiento de los microchips y mejorará el rendimiento y la confiabilidad.

La detección cuántica también tiene aplicaciones importantes en la tecnología médica, donde su capacidad para detectar nanopartículas y partículas magnéticas algún día podría usarse como una herramienta de diagnóstico inyectable en busca de células cancerosas, o podría monitorear los procesos metabólicos en las células para rastrear el efecto de las células cancerosas. Tratamientos médicos.

Para estudiar los defectos de vacantes de boro en hBN, el equipo de TMOS creó una nueva configuración experimental que integra la microscopía óptica confocal con la microscopía electrónica de barrido (SEM). Esto les permitió manipular simultáneamente los estados de carga de los defectos de vacancia de boro utilizando un haz de electrones y circuitos microelectrónicos, mientras medían el defecto.

«Este enfoque es novedoso porque nos permite enfocar el láser y obtener imágenes de defectos individuales en el hBN, mientras se procesan usando circuitos electrónicos y un haz de electrones», dice Gale. Esta modificación del microscopio es única; ha sido increíblemente útil y ha simplificado nuestro flujo de trabajo. Significativamente.»

Referencia: “Manipulación del estado de carga del defecto de giro en nitruro de boro hexagonal” Por Angus Gill, Dominik Scognamiglio, Ivan Zegolin, Benjamin Whitefield, Mehran Kiannia, Igor Aharonović y Milos Toth, 26 de junio de 2023, disponible aquí. nano letras.
doi: 10.1021/acs.nanolett.3c01678

El estudio fue financiado por el Consejo Australiano de Investigación.