Difetti di spin nel nitruro di boro esagonale creati dal bombardamento di ioni di elio

21 luglio 2023

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dall'Università Nazionale di Singapore

I fisici dell'Università Nazionale di Singapore (NUS) hanno sviluppato un metodo che utilizza un fascio focalizzato di ioni di elio per creare serie di difetti nel nitruro di boro esagonale (hBN) che possono essere potenzialmente utilizzati per applicazioni di rilevamento magnetico.

Il nitruro di boro esagonale (hBN) è un materiale bidimensionale (2D) composto da atomi di boro e azoto disposti in una struttura reticolare esagonale. Presenta proprietà uniche per applicazioni nel rilevamento quantistico. Sono stati scoperti molti tipi di difetti nell'hBN e uno di essi, il posto vacante di boro carico negativamente (VB–), è di particolare interesse in quanto possiede proprietà di spin che lo rendono prezioso per le applicazioni di rilevamento quantistico.

In questo studio, un fascio di ioni di elio ad alta energia prodotto presso l'impianto di accelerazione presso il Center for Ion Beam Applications (CIBA) nel Dipartimento di Fisica, NUS è stato utilizzato per irradiare scaglie di hBN per generare centri ottici VB-. La capacità di focalizzare il fascio ionico su punti di dimensioni nanometriche e di scansionare spazialmente il fascio consente di fabbricare matrici modellate di emettitori ottici con elevata precisione.

Il lavoro è il risultato di una collaborazione tra un gruppo di ricerca guidato dal professore associato Andrew Bettiol e il gruppo guidato dal professore associato Goki Eda, entrambi del Dipartimento di Fisica, NUS. Il centro dei difetti ottici VB–, prodotto attraverso gli esperimenti condotti dal gruppo di ricerca, mostra alcune proprietà interessanti quando è esposto all'energia delle microonde. Questo studio è stato pubblicato sulla rivista Advanced Optical Materials.

Una tecnica spettroscopica nota come risonanza magnetica rilevata otticamente (ODMR) è stata utilizzata per rilevare minuscoli campi magnetici negli esperimenti. Questa tecnica combina i principi della risonanza magnetica e della spettroscopia ottica per studiare le proprietà dei materiali paramagnetici e la loro interazione con la radiazione elettromagnetica.

Innanzitutto, viene utilizzato un laser verde per eccitare il centro del difetto VB- in modo che emetta luce ad una lunghezza d'onda di circa 810 nm, che si trova nella parte del vicino infrarosso dello spettro elettromagnetico. Un'antenna in rame viene quindi utilizzata per generare una frequenza di microonde specifica vicino al campione hBN. Questa energia a microonde inizializza il difetto in uno stato di spin che determina la riduzione dell'intensità della luce emessa dal difetto. La frequenza delle microonde viene sintonizzata finché non viene rilevata una diminuzione dell'intensità della luce. Ciò è avvenuto a circa 3,48 GHz, dove è stato osservato un doppio calo nell’intensità della fotoluminescenza. Una volta trovata la frequenza di risonanza delle microonde, il sensore è pronto per l'uso per rilevare i campi magnetici.

Il professor Bettiol ha affermato: "Utilizzando questa proprietà unica esibita da hBN, un minuscolo campo magnetico che a volte si verifica nei sistemi biologici o nei materiali magnetici sposterà la frequenza di risonanza e ciò causerà il ripristino dell'emissione di luce dal sensore. L'emissione di luce dal centro dei difetti ottici VB- fornisce un mezzo per rilevare otticamente il campo magnetico locale."

Il professor Eda ha aggiunto: "l'hBN è un materiale versatile che può essere facilmente integrato nei dispositivi su chip. La nostra dimostrazione della creazione di difetti di spin nell'hBN con alta precisione è un passo importante verso la realizzazione di sensori magnetici su chip".

Maggiori informazioni: Haidong Liang et al, Difetti di spin ad alta sensibilità in hBN creati dall'irradiazione del fascio He ad alta energia, materiali ottici avanzati (2022). DOI: 10.1002/adom.202201941