Lo studio mostra che il nitruro di boro esagonale ha il potenziale per sostituire il diamante come materiale di rilevamento quantistico

27 giugno 2023

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dal Centro di eccellenza ARC per i sistemi meta-ottici trasformativi

Il diamante è stato a lungo il materiale di riferimento per il rilevamento quantistico grazie ai suoi centri coerenti di posti vacanti di azoto, alla rotazione controllabile, alla sensibilità ai campi magnetici e alla capacità di essere utilizzato a temperatura ambiente. Con un materiale così adatto e così facile da fabbricare e da scalare, c'è stato poco interesse nell'esplorare alternative al diamante.

Ma questa CAPRA del mondo quantistico ha un tallone d'Achille: è troppo grande. Proprio come un linebacker della NFL non è il miglior sportivo da correre nel Kentucky Derby, il diamante non è un materiale ideale quando si esplorano i sensori quantistici e l'elaborazione delle informazioni. Quando i diamanti diventano troppo piccoli, il difetto super stabile per cui è famoso comincia a sgretolarsi. C'è un limite oltre il quale il diamante diventa inutilizzabile.

hBN è stato precedentemente trascurato come sensore quantistico e piattaforma per l’elaborazione delle informazioni quantistiche. La situazione è cambiata di recente quando sono stati scoperti una serie di nuovi difetti che si preannunciano come concorrenti convincenti per i centri vacanti di azoto dei diamanti.

Di questi, il centro vacante del boro (un singolo atomo mancante nel reticolo cristallino dell'hBN) è emerso come il più promettente fino ad oggi. Può, tuttavia, esistere in vari stati di carica e solo lo stato di carica -1 è adatto per applicazioni basate sullo spin. Gli altri stati di carica sono stati finora difficili da rilevare e studiare. Ciò era problematico poiché lo stato di carica può sfarfallare, passando dallo stato –1 a 0, rendendolo instabile soprattutto nei tipi di ambienti tipici dei dispositivi e sensori quantistici.

Ma come sottolineato in un articolo pubblicato su Nano Letters, i ricercatori del TMOS, il Centro di eccellenza ARC per i sistemi meta-ottici trasformativi, hanno sviluppato un metodo per stabilizzare lo stato -1 e un nuovo approccio sperimentale per studiare gli stati di carica dei difetti in hBNutilizzo dell'eccitazione ottica e dell'irradiazione simultanea di fasci di elettroni.

Il co-autore principale Angus Gale afferma: "Questa ricerca mostra che l'hBN ha il potenziale per sostituire il diamante come materiale preferenziale per il rilevamento quantistico e l'elaborazione delle informazioni quantistiche perché possiamo stabilizzare i difetti atomici che sono alla base di queste applicazioni risultando in strati hBN 2D che potrebbero essere integrato in dispositivi dove il diamante non può essere."

Il co-autore principale Dominic Scognamiglio afferma: "Abbiamo caratterizzato questo materiale e scoperto proprietà uniche e molto interessanti, ma lo studio dell'hBN è agli inizi. Non ci sono altre pubblicazioni sulla commutazione dello stato di carica, sulla manipolazione o sulla stabilità dei posti vacanti di boro , ed è per questo che stiamo facendo il primo passo per colmare questa lacuna nella letteratura e comprendere meglio questo materiale."

Il ricercatore capo Milos Toth afferma: "La prossima fase di questa ricerca si concentrerà sulle misurazioni della sonda a pompa che ci consentiranno di ottimizzare i difetti nell'hBN per applicazioni nel rilevamento e nella fotonica quantistica integrata".

Il rilevamento quantistico è un campo in rapido progresso. I sensori quantistici promettono una migliore sensibilità e risoluzione spaziale rispetto ai sensori convenzionali. Tra le sue numerose applicazioni, una delle più critiche per l'Industria 4.0 e l'ulteriore miniaturizzazione dei dispositivi è il rilevamento preciso della temperatura e dei campi elettrici e magnetici nei dispositivi microelettronici. Essere in grado di percepirli è la chiave per controllarli.

La gestione termica è attualmente uno dei fattori che limitano il miglioramento delle prestazioni dei dispositivi miniaturizzati. Il rilevamento quantistico preciso su scala nanometrica aiuterà a prevenire il surriscaldamento dei microchip e a migliorare le prestazioni e l’affidabilità.