Experimental montado no TMOS para estudar os defeitos de vacância de boro em hBN. Crédito: TMOS, o Centro de Excelência ARC para Sistemas Meta-Ópticos Transformativos
O diamante tem sido o material ideal para detecção quântica devido aos seus centros coerentes de vacância de nitrogênio, rotação controlável, sensibilidade a campos magnéticos e capacidade de ser usado em temperatura ambiente. Com um material tão adequado, tão fácil de fabricar e escalar, tem havido pouco interesse em explorar alternativas ao diamante.
Mas este GOAT do mundo quântico tem um calcanhar de Aquiles – é muito grande. Assim como um linebacker da NFL não é o melhor esportista para competir no Kentucky Derby, o diamante não é um material ideal ao explorar sensores quânticos e processamento de informações. Quando os diamantes ficam muito pequenos, o defeito superestável pelo qual é conhecido começa a desmoronar. Há um limite em que o diamante se torna inútil.
Digite hBN
O hBN foi anteriormente negligenciado como um sensor quântico e uma plataforma para processamento de informações quânticas. Isso mudou recentemente quando uma série de novos defeitos foram descobertos que estão se tornando concorrentes atraentes para os centros de vacância de nitrogênio do diamante.
Destes, o centro de vacância do boro (um único átomo ausente na rede cristalina do hBN) emergiu como o mais promissor até o momento. Pode, no entanto, existir em vários estados de carga e apenas o estado de carga -1 é adequado para aplicações baseadas em spin. Os outros estados de carga, até agora, têm sido difíceis de detectar e estudar. Isso era problemático, pois o estado da carga pode oscilar, alternando entre os estados -1 e 0, tornando-o instável, especialmente nos tipos de ambientes típicos de dispositivos e sensores quânticos.
Mas, conforme descrito em um artigo publicado na Nano Letraspesquisadores do TMOS, o Centro de Excelência ARC para Sistemas Meta-Ópticos Transformativos desenvolveram um método para estabilizar o estado -1 e uma nova abordagem experimental para estudar os estados de carga de defeitos em hBNusando excitação óptica e irradiação simultânea de feixe de elétrons.
O co-autor Angus Gale diz: “Esta pesquisa mostra que o hBN tem potencial para substituir o diamante como material preferencial para detecção quântica e processamento de informações quânticas porque podemos estabilizar os defeitos atômicos que sustentam essas aplicações, resultando em camadas 2D hBN que podem ser integrado em dispositivos onde o diamante não pode estar.”
O co-autor Dominic Scognamiglio diz: “Nós caracterizamos este material e descobrimos propriedades únicas e muito interessantes, mas o estudo do hBN está em seus primeiros dias. Não há outras publicações sobre troca de estado de carga, manipulação ou estabilidade de vacâncias de boro , e é por isso que estamos dando o primeiro passo para preencher essa lacuna na literatura e entender melhor esse material.”
O investigador-chefe Milos Toth diz: “A próxima fase desta pesquisa se concentrará nas medições de sondas de bomba que nos permitirão otimizar defeitos no hBN para aplicações em detecção e fotônica quântica integrada”.
A detecção quântica é um campo que avança rapidamente. Os sensores quânticos prometem melhor sensibilidade e resolução espacial do que os sensores convencionais. De suas muitas aplicações, uma das mais críticas para a Indústria 4.0 e a maior miniaturização de dispositivos é a detecção precisa de temperatura, bem como campos elétricos e magnéticos em dispositivos microeletrônicos. Ser capaz de sentir isso é a chave para controlá-los.
O gerenciamento térmico é atualmente um dos fatores que limitam o desempenho de dispositivos miniaturizados. A detecção quântica precisa em nanoescala ajudará a evitar o superaquecimento de microchips e melhorar o desempenho e a confiabilidade.
A detecção quântica também tem aplicações significativas na esfera da tecnologia médica, onde sua capacidade de detectar nanopartículas e moléculas magnéticas pode um dia ser usada como uma ferramenta de diagnóstico injetável que procura células cancerígenas, ou pode monitorar os processos metabólicos nas células para rastrear o impacto de tratamentos médicos.
Para estudar os defeitos de vacância de boro em hBN, a equipe do TMOS criou uma nova configuração experimental que integrou um microscópio fotoluminescente confocal com um microscópio eletrônico de varredura (SEM). Isso permitiu que eles manipulassem simultaneamente os estados de carga dos defeitos de vacância de boro com o feixe de elétrons e microcircuitos eletrônicos, enquanto mediam o defeito.
Gale diz: “A abordagem é inovadora porque nos permite focar o laser e criar imagens de defeitos individuais no hBN, enquanto eles são manipulados usando circuitos eletrônicos e usando um feixe de elétrons. Essa modificação no microscópio é única; foi incrivelmente útil e simplificou significativamente nosso fluxo de trabalho.”
Manipulando o estado de carga de defeitos de spin em nitreto de boro hexagonal
Vacâncias de boro carregadas negativamente (VB−) em nitreto de boro hexagonal (hBN) recentemente ganharam interesse como defeitos de spin para processamento de informações quânticas e detecção quântica por um material em camadas. No entanto, a vacância de boro pode existir em vários estados de carga na rede hBN, mas apenas o estado -1 possui fotoluminescência dependente de spin e atua como uma interface spin-fóton. Aqui, investigamos a comutação do estado de carga de VB defeitos sob excitação de laser e feixe de elétrons.
Demonstramos comutação determinística e reversível entre os estados -1 e 0 (VB−⇌VB0 +e−), ocorrendo em taxas controladas pelo excesso de elétrons ou buracos injetados no hBN por um dispositivo de heteroestrutura em camadas. Nosso trabalho fornece um meio de monitorar e manipular o estado de carga do VB e estabilizar o estado -1, que é um pré-requisito para a manipulação do spin óptico e leitura do defeito.
Mais Informações:
Angus Gale et al, Manipulando o Estado de Carga de Defeitos de Spin em Nitreto de Boro Hexagonal, Nano Letras (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c01678
Fornecido pelo Centro de Excelência ARC para Sistemas Meta-Ópticos Transformativos
Citação: Estudo mostra que o nitreto de boro hexagonal tem potencial para substituir o diamante como material de detecção quântica (2023, 27 de junho) recuperado em 27 de junho de 2023 em https://phys.org/news/2023-06-hexagonal-boron-nitride-potential-diamond. html
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