Новый материал для квантовых датчиков может быть даже лучше, чем алмазы

Алмазы уже давно стали лучшими друзьями квантовых ученых благодаря широкому спектру полезных свойств. С их помощью делают чрезвычайно хорошие квантовые датчики, в целом превосходя конкурентов. Но алмазы не идеальны, и теперь команда разработала, как дать альтернативному материалу преимущество, чтобы потенциально стать величайшим квантовым датчиком всех времен. Новое исследование опубликовано было в журнале Nano Letters.

Причины, по которым алмазы так полезны в квантовом мире, заключаются в том, что их решетчатая структура и оптические свойства позволяют им сохранять квантовые состояния, такие как спин, их чувствительность к магнитным полям и их способность быть полезными при комнатной температуре, а не требовать определенных экстремальных температур. Однако недостаток прост. По мере того, как алмазы становятся меньше, они фактически начинают крошиться. Так что для самых маленьких приложений в квантовом мире эти невероятные датчики бесполезны.

Альтернативой стал материал под названием hBN или гексагональный нитрид бора. Недавние исследования предполагают интригующий квантовый потенциал, когда речь идет о вакансиях бора. В этой молекулярной решетке отсутствует один атом – рассматриваемая вакансия – и он может иметь разные заряды. Только отрицательно заряженное состояние имеет подходящие свойства для хорошего квантового сенсора.

Новое исследование фактически показывает, как манипулировать и контролировать hBN, чтобы сохранить отрицательно заряженную вакансию бора, делая материал именно тем, что необходимо в квантовых системах. Квантовые датчики обещают более высокую чувствительность и пространственное разрешение, чем обычные датчики.

«Мы охарактеризовали этот материал и обнаружили уникальные и очень интересные свойства, но изучение hBN находится на начальной стадии», — сказал соавтор Доминик Скогнамиглио из Центра передового опыта по трансформационным метаоптическим системам ARC в своей статье. «Других публикаций по переключению зарядового состояния, манипулированию или стабильности вакансий бора нет, поэтому мы делаем первый шаг к заполнению этого пробела в литературе и лучшему пониманию этого материала».

«Это исследование показывает, что hBN потенциально может заменить алмаз в качестве предпочтительного материала для квантового зондирования и обработки квантовой информации, поскольку мы можем стабилизировать атомные дефекты, лежащие в основе этих приложений, в результате чего появляются двумерные слои hBN, которые можно интегрировать в устройства, в которых алмаз не может быть использован», — добавил соавтор Ангус Гейл.

Установка системы сочетает в себе конфокальный фотолюминесцентный микроскоп и сканирующий электронный микроскоп. Именно это позволило команде измерять материал и манипулировать им таким образом, чтобы это было полезно.  

«Этот подход является новым, поскольку он позволяет нам сфокусировать лазер на отдельных дефектах hBN и визуализировать их, в то время как ими манипулируют с помощью электронных схем и электронного луча», — добавил Гейл. «Эта модификация микроскопа уникальна; это было невероятно полезно и значительно упростило наш рабочий процесс».