Kvanteregistrering på en chip

MIT forskere har, for første gang, fremstillet en diamantbaseret kvantesensor på en siliciumchip. Fremskridtet kunne bane vejen mod lave omkostninger, skalerbar hardware til kvanteberegning, sansning, og kommunikation.

"Nitrogen-vacancy (NV) centre" i diamanter er defekter med elektroner, der kan manipuleres af lys og mikrobølger. Som svar, de udsender farvede fotoner, der bærer kvanteinformation om omkringliggende magnetiske og elektriske felter, som kan bruges til biosensing, neuroimaging, genstandsgenkendelse, og andre registreringsapplikationer. Men traditionelle NV-baserede kvantesensorer er omtrent på størrelse med et køkkenbord, med dyre, diskrete komponenter, der begrænser praktisk og skalerbarhed.

I et blad udgivet i Naturelektronik , forskerne fandt en måde at integrere alle de voluminøse komponenter - inklusive en mikrobølgegenerator, optisk filter, og fotodetektor - på en pakke i millimeterskala, ved brug af traditionelle halvlederfremstillingsteknikker. Især sensoren fungerer ved stuetemperatur med kapacitet til at registrere retningen og størrelsen af ​​magnetiske felter.

Forskerne demonstrerede sensorens brug til magnetometri, hvilket betyder, at de var i stand til at måle atomskalaforskydninger i frekvensen på grund af omgivende magnetfelter, som kunne indeholde oplysninger om miljøet. Med yderligere raffinering, sensoren kan have en række anvendelser, fra kortlægning af elektriske impulser i hjernen til at opdage genstande, selv uden synsvidde.

"Det er meget svært at blokere magnetiske felter, så det er en stor fordel for kvantesensorer, " siger medforfatter Christopher Foy, en kandidatstuderende ved Institut for Elektroteknik og Datalogi (EECS). "Hvis der kører et køretøj ind, sige, en underjordisk tunnel under dig, du ville være i stand til at opdage det, selvom du ikke kan se det der."

Med Foy på avisen er:Mohamed Ibrahim, en kandidatstuderende i EECS; Donggyu Kim Ph.D. '19; Matthew E. Trusheim, en postdoc i EECS; Ruonan Han, en lektor i EECS og leder af Terahertz Integrated Electronics Group, som er en del af MIT's Microsystems Technology Laboratories (MTL); og Dirk Englund, en MIT lektor i elektroteknik og datalogi, en forsker i Research Laboratory of Electronics (RLE), og leder af Quantum Photonics Laboratory.

Krympning og stabling

NV-centre i diamanter opstår, hvor carbonatomer på to tilstødende steder i gitterstrukturen mangler - et atom er erstattet af et nitrogenatom, og den anden plads er en tom "ledig stilling". Det efterlader manglende bindinger i strukturen, hvor elektronerne er ekstremt følsomme over for små variationer i elektriske, magnetiske, og optiske egenskaber i det omgivende miljø.

NV-centret fungerer i det væsentlige som et atom, med en kerne og omgivende elektroner. Det har også fotoluminescerende egenskaber, hvilket betyder, at det absorberer og udsender farvede fotoner. At feje mikrobølger hen over midten kan få det til at ændre tilstand - positivt, neutral, og negativ - som igen ændrer elektronernes spin. Derefter, det udsender forskellige mængder røde fotoner, afhængig af spin.

En teknik, kaldet optisk detekteret magnetisk resonans (ODMR), måler hvor mange fotoner der udsendes ved at interagere med det omgivende magnetfelt. Denne interaktion producerer yderligere, kvantificerbare oplysninger om feltet. For at alt det skal fungere, traditionelle sensorer kræver omfangsrige komponenter, inklusive en monteret laser, Strømforsyning, mikrobølgegenerator, ledere til at lede lys og mikrobølger, et optisk filter og sensor, og en udlæsningskomponent.

Forskerne udviklede i stedet en ny chip-arkitektur, der placerer og stabler små, billige komponenter på en bestemt måde ved hjælp af standard komplementær metal-oxid-halvleder (CMOS) teknologi, så de fungerer som disse komponenter. "CMOS-teknologier muliggør meget komplekse 3D-strukturer på en chip, " siger Ibrahim. "Vi kan have et komplet system på chippen, og vi mangler kun et stykke diamant og grøn lyskilde ovenpå. Men det kan være en almindelig chip-skala LED."

NV-centre inden for en diamantplade er placeret i et "føleområde" af chippen. En lille grøn pumpelaser begejstrer NV-centrene, mens en nanotråd placeret tæt på NV-centrene genererer fejende mikrobølger som reaktion på strøm. I bund og grund, lyset og mikrobølgen arbejder sammen for at få NV-centrene til at udsende en anden mængde røde fotoner - hvor forskellen er målsignalet til udlæsning i forskernes eksperimenter.

Under NV-centrene er en fotodiode, designet til at eliminere støj og måle fotonerne. Mellem diamanten og fotodioden er der et metalgitter, der fungerer som et filter, der absorberer de grønne laserfotoner, mens de lader de røde fotoner nå fotodioden. Kort sagt, dette muliggør en on-chip ODMR-enhed, som måler resonansfrekvensskift med de røde fotoner, der bærer information om det omgivende magnetfelt.

Men hvordan kan en chip udføre arbejdet med en stor maskine? Et nøgletrick er simpelthen at flytte den ledende ledning, som producerer mikrobølgerne, i optimal afstand fra NV-centrene. Selvom chippen er meget lille, denne præcise afstand gør det muligt for trådstrømmen at generere nok magnetfelt til at manipulere elektronerne. Den tætte integration og co-design af de mikrobølgeledende ledninger og genereringskredsløb hjælper også. I deres papir, forskerne var i stand til at generere nok magnetfelt til at muliggøre praktiske anvendelser i objektdetektion.

Kun begyndelsen

I et andet papir, der blev præsenteret tidligere i år på International Solid-State Circuits Conference, forskerne beskriver en anden generations sensor, der foretager forskellige forbedringer af dette design for at opnå 100 gange større følsomhed. Næste, forskerne siger, at de har en "køreplan" for, hvordan man kan øge følsomheden med 1, 000 gange. Det involverer dybest set at opskalere chippen for at øge tætheden af ​​NV-centrene, som bestemmer følsomheden.

Hvis de gør, sensoren kunne bruges selv i neuroimaging applikationer. Det betyder at placere sensoren i nærheden af ​​neuroner, hvor den kan registrere intensiteten og retningen af ​​affyrende neuroner. Det kunne hjælpe forskere med at kortlægge forbindelser mellem neuroner og se, hvilke neuroner der udløser hinanden. Andre fremtidige applikationer, herunder en GPS-erstatning til køretøjer og fly. Fordi magnetfeltet på Jorden er blevet kortlagt så godt, kvantesensorer kan fungere som ekstremt præcise kompasser, selv i miljøer, der nægter GPS.

"Vi er kun i begyndelsen af, hvad vi kan opnå, " siger Han. "Det er en lang rejse, men vi har allerede to milepæle på banen, med første og anden generations sensorer. Vi planlægger at gå fra sansning til kommunikation til computing. Vi kender vejen frem, og vi ved, hvordan vi kommer derhen."

"Jeg er begejstret for denne kvantesensorteknologi og forudser stor indflydelse på flere områder, " siger Ron Walsworth, en seniorlektor ved Harvard University, hvis gruppe udvikler højopløselige magnetometriværktøjer ved hjælp af NV-centre.

"De har taget et vigtigt skridt i integrationen af ​​kvante-diamant-sensorer med CMOS-teknologi, inklusive on-chip mikrobølgegenerering og levering, samt on-chip-filtrering og detektion af det informationsbærende fluorescerende lys fra kvantefejlene i diamant. Den resulterende enhed er kompakt og relativt laveffekt. Næste trin vil være yderligere at forbedre følsomheden og båndbredden af ​​kvantediamantsensoren [og] integrere CMOS-diamantsensoren med omfattende applikationer, herunder kemisk analyse, NMR spektroskopi, og materialekarakterisering."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.