Een kunstmatig gecreëerd spindefect (qubit) in een kristalrooster van boornitride is geschikt als sensor waarmee verschillende veranderingen in de lokale omgeving kunnen worden gemeten. De qubit is een boorleegstand in een tweedimensionale laag van hexagonaal boornitride en heeft een impulsmoment (spin).

Het defect is zeer gevoelig voor zijn atomaire omgeving, bijvoorbeeld naar de afstanden tot andere atomen of atoomlagen.

"Hierdoor kunnen lokale metingen van magnetische velden, temperatuur en gelijkmatige druk, " zegt professor Vladimir Djakonov, hoofd van de leerstoel Experimentele Fysica VI aan de Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Beieren, Duitsland. Metingen worden volledig optisch uitgevoerd met behulp van een laser. de sensor heeft geen elektrisch contact nodig.

"Modulerende microgolven van verschillende frequenties aan en uit, het spindefect kan worden gemanipuleerd om verschillende externe invloeden zoals temperatuur, druk en magnetisch veld, " legt Andreas Gottscholl uit. De doctoraatsstudent natuurkunde aan de JMU is de eerste auteur van de publicatie in het tijdschrift Natuurcommunicatie , die de nieuwe sensor presenteert.

Kenmerken van de nieuwe sensor

Atoomsensoren op basis van spindefecten bestaan ​​al:ze zijn gemaakt van diamant of siliciumcarbide en zijn geschikt voor lokale metingen van temperatuur en magneetveld. "Onze boornitride-sensor biedt een extra respons op externe drukveranderingen en overtreft de gevoeligheid van eerdere systemen, vooral bij lage temperaturen, ", legt Gottscholl uit.

"Een ander nieuw kenmerk van ons spindefect is de locatie in een tweedimensionaal kristalrooster. Vergeleken met de gevestigde driedimensionale systemen op basis van diamant of siliciumcarbide, het biedt volledig nieuwe toepassingsmogelijkheden, ", voegt de natuurkundige uit Würzburg toe.

Voorbeeld:Boornitride wordt momenteel beschouwd als het standaardmateriaal voor het inkapselen van nieuwe 2D-apparaten zoals transistors van nanometerformaat. "Met ons werk we hebben aangetoond dat we atomaire sensoren kunstmatig kunnen inbedden in het veelgebruikte materiaal boornitride. Dit moet het mogelijk maken om direct invloeden te meten zoals temperatuur, druk en magnetisch veld op de onderzochte apparaten."

Volgende onderzoeksstappen

Tot dusver, de onderzoekers hebben de functionaliteit van de sensor aangetoond op een groot ensemble van enkele miljoenen spindefecten. Volgende, ze willen sensing laten zien met enkele spin-defecten. Als dit lukt, een toepassing op nanometerschaal zou haalbaar zijn.

"Bijzonder interessant is het idee om boornitride van slechts één atoomlaag te gebruiken, dus de sensor wordt direct op het oppervlak van het onderzochte systeem gepositioneerd, " zegt professor Dyakonov. Dit zou directe interactie met de directe omgeving mogelijk maken.

Toepassingsgebied van de sensor

Toepassingen in materiaalonderzoek, device development of biologie kan interessant zijn om op deze gebieden nieuwe inzichten te krijgen. Naast andere mogelijke wetenschappelijke implementaties, het is op lange termijn ook denkbaar om het spindefect als commerciële sensor te gebruiken - dit zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de medische beeldvormingstechnieken, omdat de sensor lokale temperaturen in kaart kan brengen als beeldcontrasten, bijvoorbeeld.