Neues Material ist für Quantensensoren sogar besser als Diamanten

Diamanten sind nicht nur die besten Freunde von Mädchen, sie sind dank ihrer vielfältigen nützlichen Eigenschaften schon lange die besten Freunde von Quantenwissenschaftlern. Sie stellen extrem gute Quantensensoren her und übertreffen die Konkurrenz bei weitem. Aber Diamanten sind nicht perfekt, und jetzt hat ein Team herausgefunden, wie man einem alternativen Material das Potenzial verleiht, möglicherweise der größte Quantensensor aller Zeiten zu werden.

Die Gründe, warum Diamanten in der Quantenwelt so nützlich sind, liegen darin, dass ihre Gitterstrukturen und optischen Eigenschaften es ihnen ermöglichen, Quantenzustände wie den Spin zu bewahren, ihre Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern und ihre Fähigkeit, bei Raumtemperatur nützlich zu sein, anstatt bestimmte extreme Temperaturen zu erfordern. Der Nachteil ist jedoch einfach. Wenn Diamanten kleiner werden, beginnen sie tatsächlich zu zerbröckeln. Für die kleinsten Anwendungen in der Quantenwelt sind diese unglaublichen Sensoren also nutzlos.

Eine Alternative war ein Material namens hBN oder hexagonales Bornitrid. Aktuelle Forschungsergebnisse deuten auf ein faszinierendes Quantenpotenzial bei Bor-Leerstellen hin. In diesem Molekülgitter fehlt ein einzelnes Atom – die betreffende Lücke – und dieses kann unterschiedliche Ladungen haben. Nur der negativ geladene Zustand hat die richtigen Eigenschaften für einen guten Quantensensor.

Eine neue Studie zeigt tatsächlich, wie hBN manipuliert und überwacht werden kann, um die negativ geladene Bor-Leerstelle beizubehalten und das Material genau zu dem zu machen, was in Quantensystemen benötigt wird. Quantensensoren versprechen eine höhere Empfindlichkeit und räumliche Auflösung als herkömmliche Sensoren.

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„Wir haben dieses Material charakterisiert und einzigartige und sehr coole Eigenschaften entdeckt, aber die Erforschung von hBN steckt noch in den Kinderschuhen“, sagte Co-Hauptautor Dominic Scognamiglio vom ARC Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems in einem Aussage. „Es gibt keine anderen Veröffentlichungen zum Wechsel des Ladungszustands, zur Manipulation oder zur Stabilität von Bor-Leerstellen, weshalb wir den ersten Schritt unternehmen, um diese Literaturlücke zu schließen und dieses Material besser zu verstehen.“

„Diese Forschung zeigt, dass hBN das Potenzial hat, Diamant als bevorzugtes Material für Quantensensorik und Quanteninformationsverarbeitung zu ersetzen, weil wir die atomaren Defekte, die diesen Anwendungen zugrunde liegen, stabilisieren können, was zu 2D-hBN-Schichten führt, die in Geräte integriert werden könnten, wo Diamant dies nicht kann.“ sein“, fügte Co-Hauptautor Angus Gale hinzu.

Der Aufbau des Systems kombiniert ein konfokales Photolumineszenzmikroskop mit einem Rasterelektronenmikroskop. Dies ermöglichte es dem Team, das Material auf nützliche Weise zu messen und zu manipulieren.

„Der Ansatz ist insofern neuartig, als er es uns ermöglicht, den Laser auf einzelne Defekte in hBN zu fokussieren und diese abzubilden, während sie mithilfe elektronischer Schaltkreise und eines Elektronenstrahls manipuliert werden“, fügte Gale hinzu. „Diese Modifikation des Mikroskops ist einzigartig; Es war unglaublich nützlich und hat unseren Arbeitsablauf erheblich optimiert.“

Die Studie ist in Nano Letters veröffentlicht.