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2024-08-08 11:30:01
UTS と RMIT による hBN 量子センサーの実験セットアップ。提供: RMIT 大学
TMOS（ARC Transformative Meta-Optical Systems 研究センター）の研究者と RMIT 大学の協力者は、六方晶窒化ホウ素（hBN）を使用した新しい 2D 量子センシング チップを開発しました。このチップは、新しい画期的な薄膜形式で、あらゆる方向の温度異常と磁場を同時に検出できます。
彼らの論文では 出版された Nature Communications誌で、彼らは磁気測定用の現在の量子技術よりも大幅に薄いセンサーについて詳細に述べており、より安価で多用途な量子センサーへの道を開くものである。
これまで、量子センシング チップはダイヤモンドで作られてきました。ダイヤモンドは非常に堅牢なプラットフォームだからです。しかし、ダイヤモンド ベースのセンサーの限界は、磁場の方向と一致する場合にのみ磁場を検出できることです。一致しない場合は、大きな盲点が生じます。その結果、ダイヤモンド製の磁力計には、さまざまな程度の一致度で複数のセンサーを組み込む必要があります。
これにより操作の難易度が上がり、結果としてさまざまなアプリケーションで使用できる汎用性が低下します。さらに、量子センサーの剛性と 3 次元性により、完全に滑らかでないサンプルに近づく能力が制限されます。
TMOS の准研究員 Jean-Philippe Tetienne (RMIT 大学) と主任研究員 Igor Aharonovich (シドニー工科大学) とそのチームは、hBN を使用した新しい量子センシング プラットフォームを開発しています。これらの hBN 結晶は原子の厚さのシートの層で構成されており、柔軟性があるため、センシング チップを研究対象のサンプルの形状に合わせて調整でき、ダイヤモンドよりもはるかにサンプルに近づけることができます。
hBNにはさまざまな欠陥が存在し、それぞれ異なる光学現象を引き起こします。最近発見された炭素ベースの欠陥である 原子構造 まだ正体不明のこの装置は、あらゆる方向の磁場を検出しますが、これまで磁気イメージングには使用されていません。
研究チームは、未確認の欠陥の構造を解明するために、ラビ測定実験を行い、その結果を、hBN にも存在する、よく知られているホウ素空孔欠陥と比較しました。このホウ素空孔欠陥は、量子レベルで温度を測定するために使用できます。この比較を通じて、研究チームは、新しい欠陥がスピン半システムとして動作することを発見しました。炭素欠陥のこの半スピン特性により、センサーはあらゆる方向の磁場を検出できます。
研究チームは、この新しい炭素ベースの半スピンセンサーは、ホウ素空孔センサーと同様に電気励起によって制御でき、互いに相互作用するように調整できると判断しました。これらの発見に刺激されて、研究チームは、両方のスピン欠陥を同時に使用して測定できるhBNセンシングチップの実証に着手しました。 磁場 および温度。彼らの論文には、この未確認の等方性センサーで撮影された初めての磁気画像が掲載されています。
共同筆頭著者である RMIT 大学の Sam Scholten 氏は、「固体内の光学的に処理可能なスピン欠陥は、ナノスケールの量子センサーとして、さらに一般的には堅牢な室温量子システムとして利用できる可能性があるため、量子材料の分野では重要なツールキットとなります。」と述べています。
「hBN がユニークで魅力的なのは、2D 形状であるため、センサーをサンプルにかなり近づけることができる点です。」
共同筆頭著者である RMIT 大学の Priya Singh 氏は、「ダイヤモンド スピンは、生物系において 10 年以上にわたり、in situ プローブとして使用されてきました。センサーの方向独立性が有利となる、継続的に移動する細胞環境に hBN を導入したいと考えています」と述べています。
TMOS 主任研究員の Igor Aharonovich 氏は、「hbN は、通信やセンシング用の量子光源としてダイヤモンドよりも多くの利点があります。超薄型フォーム ファクタに加えて、ダイヤモンドでは極低温冷却が必要になることが多い室温での通信用の量子光源としても機能します。hBN はダイヤモンドよりもはるかに安価で入手しやすいです。」と述べています。
一般的に、これらの新しい低次元材料は、その極端な異方性により、新しい物理学を発見するチャンスを提供します。この量子センシング技術の将来の潜在的な用途には、磁場による地質学的特徴の現場識別が含まれます。欠陥のスピン半減の性質により、競合技術よりも広い帯域にわたる電波分光法も可能になります。
TMOS の准研究員 Jean-Phillipe Tetienne 氏は次のように語っています。「この研究の次のステップは、hBN の原子欠陥が何であるかを特定することです。これらの構成を理解することで、最適なパフォーマンスを発揮するセンサー デバイスの設計に向けて前進することができます。」
「この新しい光学スピン欠陥の特性と可能性を探ることに興奮しています。スピンの半分の性質は私たちのコミュニティでは目新しいものであり、答えるべき疑問がたくさんあります。」
詳しくは：
Sam C. Scholten 他「ファンデルワールス材料における多種の光学的にアドレス可能なスピン欠陥」Nature Communications (2024)。 DOI: 10.1038/s41467-024-51129-8
オーストラリア研究評議会提供
引用: 新しい 2D 量子センサーが温度異常と磁場を検出 (2024 年 8 月 8 日) 2024 年 8 月 8 日に https://phys.org/news/2024-08-2d-quantum-sensor-temperature-anomalies.html から取得
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