Geïntegreerde schakelingen worden steeds complexer. Tegenwoordig bevat een Pentium-processor zo'n 30 miljoen transistors. En de magnetische structuren die in harde schijven worden gevonden, hebben een diameter van slechts 10 tot 20 nanometer - minder dan een griepvirus met een diameter van 80 tot 120 nanometer. Dimensies naderen snel het rijk van de kwantumfysica en, nu al, onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF in Freiburg leggen zich toe op de kwantumtechnologie-uitdagingen van morgen. Samen met collega's van het Max Planck Institute for Solid State Research, ze ontwikkelen een kwantumsensor die in staat zal zijn om nauwkeurig de kleine magnetische velden te meten die we kunnen verwachten in de volgende generatie harde schijven. De sensor zelf is net iets groter dan een stikstofatoom, met een synthetische diamant om als substraat te fungeren.

Diamant heeft een aantal voordelen, los van zijn aanzienlijke mechanische en chemische stabiliteit. Bijvoorbeeld, men kan vreemde atomen implanteren zoals boor of fosfor, waardoor de kristallen in halfgeleiders veranderen. Diamant is ook het perfecte materiaal voor optische circuits. Maar misschien is zijn grootste kenmerk zijn indrukwekkende thermische geleidbaarheid, met de sterkte van de koolstofatoombindingen die ervoor zorgen dat warmte snel wordt afgevoerd.

In de afgelopen decennia is Fraunhofer IAF heeft geoptimaliseerde systemen ontwikkeld voor de productie van diamanten. Het proces voor massaproductie vindt plaats in een plasmareactor, en Freiburg bezit veel van deze zilverkleurige apparaten. Plasma wordt ontstoken om temperaturen van 800 tot 900 graden Celsius te genereren, zodat, wanneer gas in de kamer wordt gevoerd, op het vierkante substraat kunnen zich diamantlagen vormen. De diamantkristallen hebben een randlengte tussen de drie en acht millimeter, en worden vervolgens gescheiden van het substraat en gepolijst met behulp van een laser.

De diamant voorbereiden om als magnetische detector te fungeren

De fabricage van de innovatieve kwantumsensor vereist een bijzonder zuiver kristal, die heeft geleid tot verdere verbeteringen in het proces. Bijvoorbeeld, om ultrazuivere diamantlagen te laten groeien, het methaan dat de koolstof voor de diamant levert, wordt voorgefilterd met behulp van een zirkoniumfilter. Daarbovenop, het gas moet isotoop zuiver zijn, aangezien alleen 12C – een stabiele isotoop van het koolstofatoom – geen kernspin heeft, wat een voorwaarde is voor de magnetische sensor later. De waterstof ondergaat ook een zuiveringsproces, waarna de ultrazuivere monokristallijne diamant moet worden voorbereid op zijn rol als magnetische detector. Hier zijn er twee opties:of je steekt een enkel stikstofatoom in de extreem fijne punt, of je voegt stikstof toe in de laatste fase van het diamantproductieproces. Daarna, de diamantpunt wordt geslepen in zuurstofplasma door middel van een etsproces in de eigen cleanroom van het instituut. Het eindresultaat is een uiterst fijne diamantpunt die lijkt op die van een atomaire krachtmicroscoop. De sleutel tot het hele ontwerp is het toegevoegde stikstofatoom samen met een aangrenzende leegte in de kristalstructuur.

Dit gecombineerde stikstof-leegstandscentrum fungeert als de eigenlijke sensor, licht uitzenden wanneer het wordt blootgesteld aan een laser en microgolven. Als er een magneet in de buurt is, het zal variëren in zijn lichtemissie. Experts noemen dit elektronenspinresonantiespectroscopie. Deze techniek kan niet alleen magnetische velden detecteren met een nauwkeurigheid van nanometers, het kan ook hun kracht bepalen, het openen van een buitengewoon scala aan toepassingen. Bijvoorbeeld, de kleine diamanten tips kunnen worden gebruikt om de kwaliteit van de harde schijf te controleren. Deze apparaten voor gegevensopslag zijn stevig verpakt en er zijn altijd kleine foutjes. De kwantumsensor kan defecte gegevenssegmenten identificeren, zodat ze worden uitgesloten van het lees- en schrijfproces van de schijf. Dit vermindert het aantal defecten, die snel stijgt naarmate de miniaturisatie doorgaat, en vermindert de productiekosten.

Kwantumsensoren kunnen hersenactiviteit meten

De kleine sensor kan potentieel worden toegepast in een breed scala aan scenario's, aangezien er overal zwakke magnetische velden zijn, zelfs in de hersenen. "Telkens wanneer elektronen bewegen, ze genereren een magnetisch veld, " zegt IAF-expert Christoph Nebel. Dus als we denken of voelen, onze hersenen genereren magnetische velden. Onderzoekers willen deze hersenactiviteit graag lokaliseren om de hersengebieden te bepalen die verantwoordelijk zijn voor een bepaalde functie of gevoel. Dit kan direct door hersengolven te meten met behulp van elektroden, maar de resultaten zijn erg onnauwkeurig. Magnetische veldmetingen bieden veel betere resultaten. Echter, de momenteel in gebruik zijnde sensoren hebben één belangrijk nadeel, namelijk dat ze gekoeld moeten worden met vloeibare stikstof. Puttend uit de extreme thermische geleidbaarheid van diamant, de nieuwe technologie kan bij kamertemperatuur werken zonder dat er koeling nodig is. Voor deze toepassing, in plaats van fijne tips zou je kleine bloedplaatjes gebruiken die meerdere stikstof-vacature-centra bevatten. Elk centrum levert een punt in het beeld en, samen, een detailfoto.

Momenteel, echter, Christoph Nebel en zijn team richten hun aandacht op het onderzoeken en optimaliseren van diamant als hightech materiaal. Deze toepassing in kwantumsensortechnologie is een veelbelovend begin.