Timanttianturi havaitsee atomivirheitä reaaliaikaisesti

Uusi timanttipohjainen kvanttianturi kartoittaa atomivirheitä, tarjoten ennennäkemättömän kuvan materiaalien käyttäytymisestä pienimmässä mittakaavassa.

Arkipäivän elektroniikan mikrosiruista aina tulevaisuuden kvanttiteknologioihin asti edistyminen riippuu siitä, kuinka hyvin tiedemiehet ymmärtävät työstämiään materiaaleja.

Jopa pienet epäsäännöllisyydet kiteen atomihilassa voivat häiritä suorituskykyä. Kun atomi puuttuu hilasta, se voi vangita elektronin ja luoda sähkömagneettista kohinaa, joka häiritsee materiaalin toimintaa. Näiden "varausloukkujen" löytäminen atomitasolla on pitkään haastanut tutkijoita.

Nyt Berliinin Humboldt-yliopiston (HU) ja kumppaneiden muodostaman työryhmän tutkijat ovat kehittäneet uuden anturin, joka pystyy havaitsemaan yksittäisiä sähkövarauksia tarkemmin kuin aiemmin oli mahdollista.

Ratkaisu perustuu kiderakenteessa olevaan erityiseen vikaan – kahteen puuttuvaan atomiin yhdistettynä vieraaseen atomiin – joka tunnetaan värikeskuksena, koska se absorboi ja lähettää valoa.

Tutkijat ovat aiemmin käyttäneet värikeskuksia materiaalien ominaisuuksien tutkimiseen, mutta uusi anturi vie tämän kyvyn pidemmälle. Tiimi upotti värikeskuksen pieneen synteettisen timantin lohkoon. Tarkkailemalla vian emittoiman valon värin pieniä muutoksia he voivat havaita, milloin yksittäinen elektroni jää loukkuun lähelle.

Vaikutus on erittäin herkkä: yksittäinen vangittu varaus aiheuttaa näkyvän värinmuutoksen, kun taas hieman kauempana olevat varaukset eivät aiheuta juurikaan mitään. Tämä tarkkuus antaa tutkijoille mahdollisuuden kartoittaa atomitason virheitä materiaaleissa ennennäkemättömällä tarkkuudella. Menetelmä voi myös seurata näitä muutoksia reaaliajassa toistamalla mittauksia miljoonasosa sekunnin välein. Julkaistut tulokset osoittavat, kuinka uusi lähestymistapa voi tehdä aiemmin näkymättömistä fysikaalisista prosesseista mitattavia.

”Tämä laite on uusi työkalu materiaalitieteen tutkijoille. Se tekee fysikaalisista prosesseista, joita emme aiemmin kyenneet havaitsemaan, näkyviä ja auttaa meitä ymmärtämään niitä”, sanoo anturin taustalla olevan ohjelmiston ja menetelmät kehittänyt tohtori Gregor Pieplow. ”Voimme nyt paikantaa varausten ja kidevirheiden vuorovaikutuksen paljon tarkemmin ja tallentaa sen paljon nopeammin kuin ennen.”

”Anturin potentiaali ylittää tämän”, lisää Cem Güney Torun, joka oli mukana kokeilun suunnittelussa ja rakentamisessa. ”Värikeskusten integrointi mikroskooppisiin timanttikärkiin mahdollistaa monien eri materiaalien analysoinnin ja aidosti atomitasoisen, aikaerotteisen ja nopean skannaavan anturin luomisen.”

Tiimi on jo jättänyt menetelmälle ja laitteelle patenttihakemuksia sekä Saksassa että Yhdysvalloissa ja kuvailee sitä uutena työkaluna kvanttiaikakauden materiaalitutkimukseen.

Aiheesta aiemmin:

Timanttianturi jatkaa sähköauton matkaa

Kvanttitason lämpötilamittaukset solujen tasolle

Tehokkaampia kvanttiantureita