Kvanttianturit ohenevat

Joillakin materiaalivirheillä on kvanttivapauden aste, johon ympäristön muutokset vaikuttavat mitattavasti, mikä tekee niistä erinomaisia antureita.

Kvanttianturit ovat järjestelmiä, jotka mahdollistavat fyysisten suureiden, kuten sähkömagneettisten kenttien, taajuuden, lämpötilan ja paineen, tarkat mittaukset.

Puolijohdekvanttianturit käyttävät tyypillisesti kiinteään materiaaliin sijoitettua atomimaista järjestelmää, jossa on erilliset energiatasot, joita voidaan johdonmukaisesti manipuloida ja lukea, jotta saadaan selville ympäristön muutosten aiheuttamat muutokset tasojen erottumisessa.

Onnistunut SSD-kvanttianturien luokka hyödyntää spinin vikoja laajakaistaisilla puolijohteilla, kuten timantilla ja piikarbidilla, joita voidaan ohjata ja mitata optisilla kentillä.

Vuonna 2019 2D -materiaaleista (kuusikulmainen boorinitridi) löydettiin spinin vikakohtia, jotka tunnetaan kubitteina, mikä voisi vahvistaa erittäin ohuen kvanttianturitutkimuksen kenttää.

Spin kubittien herkkyyttä kuusikulmaisessa boorinitridissä rajoittaa kuitenkin niiden heikko kirkkaus ja magneettisen resonanssisignaalin pieni kontrasti.

Purdue yliopiston tutkijaryhmä otti haasteen voittaakseen kubittisignaalin puutteet kehittääkseen erittäin ohuita kvanttiantureita 2D-materiaaleista.

"Käytimme kultakalvoa lisäämään spinkubittien kirkkautta jopa 17-kertaiseksi", sanoo fysiikan ja tähtitieteen sekä sähkö- ja tietotekniikan dosentti Tongcang Li. "Kultakalvo tukee pintaplasmonia, joka nopeuttaa fotonien emissiota, jotta voimme kerätä enemmän fotoneja ja siten enemmän signaalia. Lisäksi paransimme rakenteidemme magneettisen resonanssisignaalin kontrastia kertoimella 10 optimoimalla mikroaaltoaaltoputken suunnittelun. Tämän seurauksena paransimme oleellisesti näiden spinvikojen herkkyyttä magneettikentän, paikallisen lämpötilan ja paikallisen paineen havaitsemiseksi.”

Kokeissaan ryhmä käytti vihreää laseria ja mikroaaltoja 2D-materiaalin spinkubitteihinsa. Materiaali emittoi sitten erivärisiä fotoneja (punainen ja lähi-infrapuna) vihreän laserin valaistuksessa. Fotonien emissionopeus riippuu magneettikentästä, lämpötilasta tai paineesta. Työssään he pystyivät mittaamaan tarkasti magneettikenttää suurella herkkyydellä.

Tulevaisuudessa ryhmä aikoo käyttää näitä spin-kubitteja uusien materiaalien tutkimiseen. He toivovat myös parantavansa signaalia edelleen niin, että yksittäistä spin kubittia 2D-materiaalissa voidaan käyttää kvanttitunnistukseen ennennäkemättömällä herkkyydellä ja tarkkuudella.

Aiheesta aiemmin

Insinöörit osoittavat kvanttiedun

Kvanttianturi kattaa koko radiotaajuusspektrin

Uudenlaisen kvanttitutkan prototyyppi