MIT-onderzoekers hebben, Voor de eerste keer, fabriceerde een op diamanten gebaseerde kwantumsensor op een siliciumchip. Het voorschot zou de weg kunnen banen naar goedkope, schaalbare hardware voor quantum computing, voelen, en communicatie.

"Stikstof-vacature (NV) centra" in diamanten zijn defecten met elektronen die kunnen worden gemanipuleerd door licht en microgolven. In antwoord, ze zenden gekleurde fotonen uit die kwantuminformatie bevatten over omringende magnetische en elektrische velden, die kan worden gebruikt voor biosensing, neuroimaging, objectdetectie, en andere detectietoepassingen. Maar traditionele op NV gebaseerde kwantumsensoren zijn ongeveer zo groot als een keukentafel, met dure, discrete componenten die de bruikbaarheid en schaalbaarheid beperken.

In een paper gepubliceerd in Natuur Elektronica , vonden de onderzoekers een manier om al die omvangrijke componenten te integreren, inclusief een microgolfgenerator, optische filter, en fotodetector - op een pakket op millimeterschaal, met behulp van traditionele halfgeleiderfabricagetechnieken. Opmerkelijk, de sensor werkt bij kamertemperatuur met mogelijkheden voor het detecteren van de richting en grootte van magnetische velden.

De onderzoekers demonstreerden het gebruik van de sensor voor magnetometrie, wat betekent dat ze verschuivingen op atomaire schaal in de frequentie konden meten als gevolg van omringende magnetische velden, die informatie over de omgeving kan bevatten. Met verdere verfijning, de sensor kan verschillende toepassingen hebben, van het in kaart brengen van elektrische impulsen in de hersenen tot het detecteren van objecten, ook zonder zichtlijn.

"Het is heel moeilijk om magnetische velden te blokkeren, dus dat is een enorm voordeel voor kwantumsensoren, " zegt co-auteur Christopher Foy, een afgestudeerde student aan de afdeling Elektrotechniek en Informatica (EECS). "Als er een voertuig binnenkomt, zeggen, een ondergrondse tunnel onder je, je zou het kunnen detecteren, zelfs als je het daar niet ziet."

Toetreden tot Foy op het papier zijn:Mohamed Ibrahim, een afgestudeerde student in EECS; Donggyu Kim Ph.D. '19; Matthew E. Trusheim, een postdoc in EECS; Ruon Han, een universitair hoofddocent in EECS en hoofd van de Terahertz Integrated Electronics Group, dat deel uitmaakt van MIT's Microsystems Technology Laboratories (MTL); en Dirk Englund, een MIT universitair hoofddocent elektrotechniek en informatica, een onderzoeker in Research Laboratory of Electronics (RLE), en hoofd van het Quantum Photonics Laboratory.

Krimpen en stapelen

NV-centra in diamanten komen voor waar koolstofatomen op twee aangrenzende plaatsen in de roosterstructuur ontbreken - één atoom wordt vervangen door een stikstofatoom, en de andere ruimte is een lege 'vacature'. Dat laat ontbrekende bindingen in de structuur achter, waar de elektronen extreem gevoelig zijn voor kleine variaties in elektrische, magnetisch, en optische kenmerken in de omgeving.

Het NV-centrum functioneert in wezen als een atoom, met een kern en omringende elektronen. Het heeft ook fotoluminescente eigenschappen, wat betekent dat het gekleurde fotonen absorbeert en uitzendt. Door microgolven door het centrum te vegen, kan het van toestand veranderen - positief, neutrale, en negatief - wat op zijn beurt de spin van zijn elektronen verandert. Vervolgens, het zendt verschillende hoeveelheden rode fotonen uit, afhankelijk van de spin.

een techniek, genaamd optisch gedetecteerde magnetische resonantie (ODMR), meet hoeveel fotonen worden uitgezonden door interactie met het omringende magnetische veld. Die interactie levert verder, meetbare informatie over het veld. Om dat allemaal te laten werken, traditionele sensoren vereisen omvangrijke componenten, inclusief een gemonteerde laser, stroomvoorziening, microgolfgenerator, geleiders om het licht en de microgolven te leiden, een optische filter en sensor, en een uitleescomponent.

De onderzoekers ontwikkelden in plaats daarvan een nieuwe chiparchitectuur die kleine, kleine, goedkope componenten op een bepaalde manier met behulp van standaard complementaire metaaloxide-halfgeleidertechnologie (CMOS), dus ze functioneren als die componenten. "CMOS-technologieën maken zeer complexe 3D-structuren op een chip mogelijk, " zegt Ibrahim. "We kunnen een compleet systeem op de chip hebben, en we hebben alleen een stukje diamant en een groene lichtbron nodig. Maar dat kan een gewone led op chipschaal zijn."

NV-centra binnen een diamantplaat zijn gepositioneerd in een "detectiegebied" van de chip. Een kleine groene pomplaser prikkelt de NV-centra, terwijl een nanodraad dicht bij de NV-centra geplaatste microgolven genereert als reactie op stroom. In principe, het licht en de microgolf werken samen om ervoor te zorgen dat de NV-centra een andere hoeveelheid rode fotonen uitzenden - met als verschil het doelsignaal voor uitlezing in de experimenten van de onderzoekers.

Onder de NV-centra is een fotodiode, ontworpen om ruis te elimineren en de fotonen te meten. Tussen de diamant en de fotodiode bevindt zich een metalen rooster dat fungeert als een filter dat de groene laserfotonen absorbeert, terwijl de rode fotonen de fotodiode kunnen bereiken. Kortom, dit maakt een on-chip ODMR-apparaat mogelijk, die resonantiefrequentieverschuivingen meet met de rode fotonen die informatie bevatten over het omringende magnetische veld.

Maar hoe kan één chip het werk doen van een grote machine? Een belangrijke truc is simpelweg het verplaatsen van de geleidende draad, die de microgolven produceert, op optimale afstand van de NV-centra. Zelfs als de chip erg klein is, door deze precieze afstand kan de draadstroom voldoende magnetisch veld genereren om de elektronen te manipuleren. De nauwe integratie en co-design van de microgolfgeleidende draden en generatieschakelingen helpen ook. In hun krant de onderzoekers waren in staat om voldoende magnetisch veld te genereren om praktische toepassingen in objectdetectie mogelijk te maken.

Alleen het begin

In een ander document dat eerder dit jaar werd gepresenteerd op de International Solid-State Circuits Conference, de onderzoekers beschrijven een sensor van de tweede generatie die verschillende verbeteringen aan dit ontwerp aanbrengt om een ​​100 keer grotere gevoeligheid te bereiken. Volgende, de onderzoekers zeggen dat ze een "roadmap" hebben om de gevoeligheid met 1 te verhogen 000 keer. Dat houdt in feite in dat de chip wordt opgeschaald om de dichtheid van de NV-centra te vergroten, die de gevoeligheid bepaalt.

Als ze dat doen, de sensor zou zelfs in neuroimaging-toepassingen kunnen worden gebruikt. Dat betekent dat de sensor in de buurt van neuronen moet worden geplaatst, waar het de intensiteit en richting van het vuren van neuronen kan detecteren. Dat zou onderzoekers kunnen helpen verbindingen tussen neuronen in kaart te brengen en te zien welke neuronen elkaar triggeren. Andere toekomstige toepassingen, waaronder een GPS-vervanging voor voertuigen en vliegtuigen. Omdat het magnetische veld op aarde zo goed in kaart is gebracht, kwantumsensoren kunnen dienen als uiterst nauwkeurige kompassen, zelfs in omgevingen zonder GPS.

"We staan ​​nog maar aan het begin van wat we kunnen bereiken, " zegt Han. "Het is een lange reis, maar we hebben al twee mijlpalen op de baan, met de eerste en tweede generatie sensoren. We zijn van plan om van detectie naar communicatie naar computers te gaan. We weten de weg vooruit en we weten hoe we daar moeten komen."

"Ik ben enthousiast over deze quantumsensortechnologie en voorzie grote impact op meerdere gebieden, " zegt Ron Walsworth, een senior docent aan de Harvard University wiens groep magnetometrie-instrumenten met hoge resolutie ontwikkelt met behulp van NV-centra.

"Ze hebben een belangrijke stap gezet in de integratie van quantum-diamantsensoren met CMOS-technologie, inclusief on-chip magnetron generatie en levering, evenals on-chip filtering en detectie van het informatiedragende fluorescerende licht van de kwantumdefecten in diamant. De resulterende eenheid is compact en relatief laag vermogen. De volgende stappen zullen zijn om de gevoeligheid en bandbreedte van de kwantumdiamantsensor verder te verbeteren [en] de CMOS-diamantsensor te integreren met brede toepassingen, inclusief chemische analyse, NMR-spectroscopie, en materiaalkarakterisering."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.