Wetenschap
Natuurkundigen pionieren met een nieuw kwantumdetectieplatform
Kwantumsensoren detecteren de kleinste veranderingen in de omgeving, bijvoorbeeld een atoom dat reageert op een magnetisch veld. Omdat deze sensoren het unieke gedrag van subatomaire deeltjes 'lezen', verbeteren ze ook dramatisch het vermogen van wetenschappers om veranderingen in onze bredere omgeving te meten en te detecteren.
Het monitoren van deze kleine veranderingen resulteert in een breed scala aan toepassingen:van het verbeteren van navigatie en het voorspellen van natuurrampen tot slimmere medische beeldvorming en detectie van biomarkers van ziekten, detectie van zwaartekrachtgolven en zelfs betere kwantumcommunicatie voor het veilig delen van gegevens.
Natuurkundigen van Georgia Tech zijn baanbrekend bezig met het ontwikkelen van nieuwe kwantumdetectieplatforms om deze inspanningen te ondersteunen. Het nieuwste onderzoek van het onderzoeksteam, "Sensing spin wave excitations by spin defects in enkele lagen dik hexagonaal boornitride", werd gepubliceerd in Science Advances deze week.
Het onderzoeksteam bestaat uit universitair docenten Chunhui (Rita) Du en Hailong Wang van de School of Physics (corresponderende auteurs) naast collega Georgia Tech-onderzoekers Jingcheng Zhou, Mengqi Huang, Faris Al-matouq, Jiu Chang, Dziga Djugba en professor Zhigang Jiang en hun medewerkers .
Een ultragevoelig platform
Het nieuwe onderzoek onderzoekt kwantumdetectie door gebruik te maken van kleurcentra:kleine defecten in kristallen (Du's team gebruikt diamanten en andere 2D-gelaagde materialen) waardoor licht kan worden geabsorbeerd en uitgezonden, wat het kristal ook unieke elektronische eigenschappen geeft.
Door deze kleurcentra in te bedden in een materiaal dat hexagonaal boornitride (hBN) wordt genoemd, hoopte het team een uiterst gevoelige kwantumsensor te creëren – een nieuwe hulpbron voor de ontwikkeling van transformatieve detectieapparatuur van de volgende generatie.
Op zijn beurt is hBN bijzonder aantrekkelijk voor kwantumdetectie en computergebruik, omdat het defecten kan bevatten die met licht kunnen worden gemanipuleerd, ook wel bekend als 'optisch actieve spinqubits'.
De kwantumspindefecten in hBN zijn ook zeer magnetisch gevoelig en stellen wetenschappers in staat gedetailleerder te ‘zien’ of ‘te voelen’ dan andere conventionele technieken. Bovendien is de bladachtige structuur van hBN compatibel met ultragevoelige hulpmiddelen zoals nano-apparaten, waardoor het een bijzonder intrigerende bron voor onderzoek is.
Het onderzoek van het team heeft geresulteerd in een cruciale doorbraak in het waarnemen van spingolven, zegt Du, en legt uit dat "we in dit onderzoek spin-excitaties konden detecteren die in eerdere studies eenvoudigweg onbereikbaar waren."
Het detecteren van spingolven is een fundamenteel onderdeel van kwantumdetectie, omdat deze verschijnselen zich over grote afstanden kunnen verplaatsen, waardoor ze een ideale kandidaat zijn voor energie-efficiënte informatiecontrole, communicatie en verwerking.
"Voor de eerste keer hebben we op experimentele wijze tweedimensionale van der Waals-kwantumdetectie gedemonstreerd, met behulp van een paar lagen dik hBN in een echte omgeving", legt Du uit, waarmee hij het potentieel van het materiaal voor nauwkeurige kwantumdetectie onderstreept. "Verder onderzoek zou het mogelijk kunnen maken om elektromagnetische kenmerken op atomaire schaal waar te nemen met behulp van kleurcentra in dunne lagen hBN."