Studie zeigt, dass hexagonales Bornitrid das Potenzial hat, Diamant als Quantensensormaterial zu ersetzen

27. Juni 2023

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vom ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems

Diamant ist aufgrund seiner kohärenten Stickstoff-Leerstellenzentren, seines kontrollierbaren Spins, seiner Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern und seiner Fähigkeit, bei Raumtemperatur verwendet zu werden, seit langem das Material der Wahl für die Quantensensorik. Da ein so geeignetes Material so einfach herzustellen und zu skalieren ist, besteht kaum Interesse an der Erforschung von Diamantalternativen.

Aber dieser ZIEGE der Quantenwelt hat eine Achillesferse – sie ist zu groß. So wie ein NFL-Linebacker nicht der beste Sportler für das Kentucky Derby ist, ist Diamant kein ideales Material für die Erforschung von Quantensensoren und Informationsverarbeitung. Wenn Diamanten zu klein werden, beginnt der superstabile Defekt, für den er bekannt ist, zu bröckeln. Es gibt eine Grenze, ab der Diamant unbrauchbar wird.

hBN wurde bisher als Quantensensor und Plattform für die Quanteninformationsverarbeitung übersehen. Dies änderte sich kürzlich, als eine Reihe neuer Defekte entdeckt wurden, die sich als überzeugende Konkurrenten für die Stickstoff-Leerstellenzentren von Diamanten herausstellen.

Von diesen hat sich das Bor-Leerstellenzentrum (ein einzelnes fehlendes Atom im hBN-Kristallgitter) als das bisher vielversprechendste herausgestellt. Es kann jedoch in verschiedenen Ladungszuständen vorliegen und nur der Ladungszustand -1 ist für spinbasierte Anwendungen geeignet. Die anderen Ladungszustände waren bisher schwer zu erkennen und zu untersuchen. Dies war problematisch, da der Ladungszustand flackern und zwischen den Zuständen –1 und 0 wechseln kann, was ihn insbesondere in den für Quantengeräte und -sensoren typischen Umgebungen instabil macht.

Doch wie in einem in Nano Letters veröffentlichten Artikel dargelegt, haben Forscher von TMOS, dem ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems, eine Methode zur Stabilisierung des –1-Zustands und einen neuen experimentellen Ansatz zur Untersuchung der Ladungszustände von Defekten in entwickelt hBNunter Verwendung optischer Anregung und gleichzeitiger Elektronenstrahlbestrahlung.

Co-Hauptautor Angus Gale sagt: „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 führen könnte, die es sein könnten.“ in Geräte integriert, in denen Diamant nicht sein kann.

Co-Hauptautor Dominic Scognamiglio sagt: „Wir haben dieses Material charakterisiert und einzigartige und sehr coole Eigenschaften entdeckt, aber die Untersuchung von hBN steckt noch in den Kinderschuhen. Es gibt keine anderen Veröffentlichungen zum Wechsel des Ladungszustands, zur Manipulation oder zur Stabilität von Bor-Leerstellen.“ Deshalb unternehmen wir den ersten Schritt, um diese Literaturlücke zu schließen und dieses Material besser zu verstehen.“

Chefforscher Milos Toth sagt: „Die nächste Phase dieser Forschung wird sich auf Pump-Probe-Messungen konzentrieren, die es uns ermöglichen werden, Defekte in hBN für Anwendungen in der Sensorik und der integrierten Quantenphotonik zu optimieren.“

Quantensensorik ist ein sich schnell entwickelndes Feld. Quantensensoren versprechen eine bessere Empfindlichkeit und räumliche Auflösung als herkömmliche Sensoren. Eine der wichtigsten Anwendungen für Industrie 4.0 und die weitere Miniaturisierung von Geräten ist die präzise Erfassung von Temperatur sowie elektrischen und magnetischen Feldern in mikroelektronischen Geräten. Die Fähigkeit, diese wahrzunehmen, ist der Schlüssel zu ihrer Kontrolle.

Das Wärmemanagement ist derzeit einer der Faktoren, die die Leistungsfähigkeit miniaturisierter Geräte einschränken. Präzise Quantensensorik im Nanomaßstab wird dazu beitragen, eine Überhitzung von Mikrochips zu verhindern und die Leistung und Zuverlässigkeit zu verbessern.

Quantensensorik hat auch bedeutende Anwendungen im Medizintechnikbereich, wo ihre Fähigkeit, magnetische Nanopartikel und Moleküle zu erkennen, eines Tages als injizierbares Diagnosewerkzeug zur Suche nach Krebszellen eingesetzt werden könnte, oder sie könnte die Stoffwechselprozesse in Zellen überwachen, um deren Auswirkungen zu verfolgen medizinische Behandlung.

Um die Bor-Fehlstellendefekte in hBN zu untersuchen, erstellte das TMOS-Team einen neuen Versuchsaufbau, der ein konfokales Photolumineszenzmikroskop mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) kombinierte. Dies ermöglichte es ihnen, gleichzeitig die Ladungszustände von Bor-Fehlstellendefekten mit dem Elektronenstrahl und elektronischen Mikroschaltkreisen zu manipulieren und gleichzeitig den Defekt zu messen.

Gale sagt: „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. Diese Modifikation des Mikroskops ist einzigartig; sie war unglaublich nützlich.“ und unseren Arbeitsablauf erheblich optimiert.“

Negativ geladene Bor-Leerstellen (VB−) ​​in hexagonalem Bornitrid (hBN) haben in jüngster Zeit als Spindefekte für die Quanteninformationsverarbeitung und Quantensensorik durch ein Schichtmaterial an Interesse gewonnen. Allerdings kann die Bor-Leerstelle in einer Reihe von Ladungszuständen im hBN-Gitter existieren, aber nur der -1-Zustand weist spinabhängige Photolumineszenz auf und fungiert als Spin-Photonen-Grenzfläche. Hier untersuchen wir die Ladungszustandsumschaltung von VB-Defekten unter Laser- und Elektronenstrahlanregung.

Wir demonstrieren deterministisches, reversibles Umschalten zwischen den Zuständen -1 und 0 (VB−⇌VB0 +e−), das mit Geschwindigkeiten erfolgt, die durch überschüssige Elektronen oder Löcher gesteuert werden, die durch ein geschichtetes Heterostrukturgerät in hBN injiziert werden. Unsere Arbeit bietet ein Mittel zur Überwachung und Manipulation des VB-Ladungszustands sowie zur Stabilisierung des -1-Zustands, der eine Voraussetzung für die Manipulation des optischen Spins und das Auslesen des Defekts ist.

Mehr Informationen: Angus Gale et al., Manipulation des Ladungszustands von Spindefekten in hexagonalem Bornitrid, Nano Letters (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c01678

Zeitschrifteninformationen:Nano-Buchstaben

Bereitgestellt vom ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems