Квантовое зондирование используется, чтобы опередить современные процессы зондирования за счет применения квантовой механики в дизайне и инженерии. Эти оптимизированные процессы помогут преодолеть существующие ограничения в таких процессах, как изучение магнитных материалов или изучение биологических образцов. Короче говоря, квантовая технология — это следующий рубеж в области сенсорных технологий.

Не далее как в 2019 году спиновые дефекты, известные как кубиты, были обнаружены в 2D-материалах (гексагональный нитрид бора), которые могут усилить поле сверхтонкого квантового зондирования . Эти ученые наткнулись на препятствие в своем открытии, которое развязало научную гонку для решения этих проблем. Их чувствительность была ограничена их низкой яркостью и низким контрастом сигнала магнитного резонанса. Не далее как две недели назад, 9 августа 2021 года, Nature Physics опубликовала статью под названием «Квантовые датчики становятся плоскими», в которой они подчеркнули преимущества, а также обрисовали текущие недостатки этого нового захватывающего средства измерения с помощью кубитов в 2D-материалах.

Команда исследователей из Purdue взялась за решение этой задачи по преодолению недостатков сигналов кубита в своей работе по разработке ультратонких квантовых датчиков с 2D-материалами. Их публикация в Nano Letters была опубликована сегодня, 2 сентября 2021 года, и они решили некоторые из критических проблем и дали гораздо лучшие результаты путем экспериментов.

Что они сделали по-другому? Доктор Тонгкан Ли, доцент кафедры физики и астрономии, электротехники и вычислительной техники, объясняет, что в этом прорыве помогла золотая пленка.

«В нашей работе мы использовали золотую пленку, чтобы увеличить яркость спиновых кубитов почти в 17 раз», — говорит Ли. «Золотая пленка поддерживает поверхностный плазмон, который может ускорить испускание фотонов, чтобы мы могли собирать больше фотонов и, следовательно, больше сигналов. Кроме того, мы улучшили контраст их сигнала магнитного резонанса в 10 раз за счет оптимизации конструкции микроволнового волновода. В результате мы существенно улучшили чувствительность этих спиновых дефектов для обнаружения магнитного поля, локальной температуры и локального давления ».

Это исследование было полностью проведено в Университете Пердью и проводилось совместно несколькими отделами. Все двенадцать авторов этой статьи из Университета Пердью: Синю Гао, Боян Цзян, Андрес Э. Ллаксауанга Аллкка, Кунхонг Шен, Мохаммад А. Сади, Абхишек Б. Соланки, Пэн Джу, Чжуджинг Сюй, Прамей Упадхьяя, Йонг П. Чен, Сунил А. Бхаве и Тонгкан Ли. Первый автор, Синюй Гао, — аспирант, работающий в лаборатории Ли.

«Этот документ является результатом сотрудничества профессора Сунила А. Бхаве, профессора Йонг П. Чена, профессора Прамей Упадхьяя и моей исследовательской группы», — говорит Ли. «Атмосфера сотрудничества в Purdue имеет решающее значение для быстрого получения этих результатов».

В этом эксперименте группа применила зеленый лазер и микроволновую печь на эти спиновые кубиты в 2D-материале. Затем материал будет излучать фотоны разных цветов (красный и ближний инфракрасный) при освещении зеленым лазером. Скорость излучения фотонов зависит от магнитного поля, температуры и давления. Следовательно, яркость этих спиновых кубитов будет меняться при изменении магнитного поля, температуры или давления. Таким образом, они смогли точно измерить магнитное поле с высокой чувствительностью.

В будущем группа планирует использовать эти спиновые кубиты для изучения новых материалов. Они также надеются улучшить сигнал, чтобы один спиновый кубит в 2D-материале можно было использовать для квантового зондирования с беспрецедентной чувствительностью и разрешением.