钻石的陨落：量子世界有了下一种顶级材料

来源：cnBeta 　2023-08-24 05:57:08

长期以来，金刚石一直是量子传感领域的佼佼者，这得益于它的相干氮空穴中心、可调自旋、磁场灵敏度以及在室温下工作的能力。有了这样一种易于制造和扩展的合适材料，人们对探索金刚石的替代品兴趣不大。

然而，这种量子领域的巨无霸却有一个弱点。它实在是太大了，钻石在研究量子传感器和数据处理时也存在不足。当钻石变得太小时，其闻名遐迩的超稳定缺陷就会开始崩溃，不仅如此，体积上还有一个极限，在这个极限上，钻石会变得毫无用处。

六方氮化硼可以解决这一问题。

(资料图片)

作为量子传感器和量子信息处理平台，六方氮化硼以前一直被忽视。最近，人们发现了一些新的缺陷，它们正逐渐成为金刚石氮空位中心的有力竞争者，从而改变了这一现状。其中，硼空位中心（hBN 晶格中的一个缺失原子）是迄今为止最有前途的缺陷。

TMOS 用于研究六方氮化硼中硼空位缺陷的实验装置。资料来源：TMOS，ARC 变革性元光学系统卓越中心

然而，它可以以各种电荷状态存在，只有-1电荷状态适合基于自旋的应用。到目前为止，其他电荷状态的探测和研究还很困难。这是一个问题，因为电荷状态会闪烁，在-1和0状态之间切换，使其不稳定，尤其是在量子设备和传感器的典型环境类型中。

但正如发表在《纳米快报》（Nano Letters）上的一篇论文所概述的那样，ARC 变革性元光学系统卓越中心（TMOS）的研究人员开发出了一种稳定-1 状态的方法，以及一种利用光激发和电子束同时照射来研究六方氮化硼缺陷电荷状态的新实验方法。

主要作者 Angus Gale 和 Dominic Scognamiglio 在他们的研究实验室。图片来源：TMOS、ARC 变革性元光学系统卓越中心

共同第一作者安格斯-盖尔（Angus Gale）说："这项研究表明，六方氮化硼有可能取代金刚石，成为量子传感和量子信息处理的首选材料，因为我们可以稳定支撑这些应用的原子缺陷，从而产生二维六方氮化硼层，将其集成到金刚石无法集成的设备中。

共同第一作者 Dominic Scognamiglio 说："我们已经对这种材料进行了表征，并发现了其独特且非常酷的特性，但对 hBN 的研究还处于早期阶段。目前还没有其他关于硼空位的电荷状态切换、操纵或稳定性的出版物，这就是为什么我们要迈出第一步，填补这一文献空白，更好地了解这种材料。"

首席研究员米洛斯-托特（Milos Toth）说："这项研究的下一阶段将侧重于泵探测量，这将使我们能够优化 hBN 中的缺陷，以便应用于传感和集成量子光子学。"

量子传感是一个快速发展的领域。与传统传感器相比，量子传感器具有更高的灵敏度和空间分辨率。在量子传感的众多应用中，对于工业 4.0 和设备的进一步微型化而言，最关键的应用之一是精确感测微电子设备中的温度以及电场和磁场。能够感知这些因素是控制它们的关键。目前，热管理是限制进一步提高微型设备性能的因素之一。纳米级精确量子传感将有助于防止微芯片过热，提高性能和可靠性。

量子传感在医疗技术领域也有重要应用，其探测磁性纳米粒子和分子的能力有朝一日可用作搜索癌细胞的注射诊断工具，或监测细胞内的新陈代谢过程，以跟踪医学治疗的影响。

为了研究六方氮化硼中的硼空位缺陷，TMOS 团队创建了一种新的实验装置，将共聚焦光致发光显微镜与扫描电子显微镜（SEM）集成在一起。这使他们能够在测量缺陷的同时，用电子束和电子微电路同时操纵硼空位缺陷的电荷状态。

盖尔说："这种方法的新颖之处在于，它使我们能够将激光聚焦到六方氮化硼中的单个缺陷上并对其进行成像，同时利用电子电路和电子束对其进行操纵。对显微镜的这种改装是独一无二的；它非常有用，大大简化了我们的工作流程。"

推荐DIY文章