Forskere bruger guldfilm til at forbedre kvantesansning med qubits i et 2D-materiale

Kvantesansning bliver brugt til at overgå moderne sansningsprocesser ved at anvende kvantemekanik til design og konstruktion. Disse optimerede processer vil hjælpe med at slå de nuværende grænser i processer som at studere magnetiske materialer eller studere biologiske prøver. Kort sagt, kvante er den næste grænse inden for sanseteknologi.

Så sent som i 2019, spindefekter kendt som qubits blev opdaget i 2D-materialer (hexagonalt bornitrid), som kunne forstærke feltet for ultratynd kvantesansning. Disse videnskabsmænd ramte en hage i deres opdagelse, som har udløst et videnskabeligt kapløb om at løse problemerne. Deres følsomhed var begrænset af deres lave lysstyrke og den lave kontrast af deres magnetiske resonanssignal. Så sent som for to uger siden den 9. august, 2021, Naturfysik udgivet en artikel med titlen "kvantesensorer går fladt, "hvor de fremhævede fordelene og også skitserede nuværende mangler ved dette nye og spændende middel til sansning via qubits i 2D-materialer.

Et team af forskere ved Purdue påtog sig denne udfordring med at overvinde qubit-signalmangler i deres arbejde med at udvikle ultratynde kvantesensorer med 2D-materialer. Deres udgivelse i Nano bogstaver blev offentliggjort i dag, 2. september, 2021, og de har løst nogle af de kritiske problemer og givet meget bedre resultater gennem eksperimenter.

Hvad gjorde de anderledes? Dr. Tongcang Li, lektor i fysik og astronomi og elektro- og computerteknik, forklarer, at guldfilm hjalp med dette gennembrud.

"I vores arbejde vi brugte en guldfilm til at øge lysstyrken af ​​spin-qubits med op til 17 gange, " Li siger. "Guldfilmen understøtter overfladeplasmonen, der kan fremskynde fotonemission, så vi kan indsamle flere fotoner og dermed flere signaler. Ud over, vi forbedrede kontrasten af ​​deres magnetiske resonanssignal med en faktor 10 ved at optimere designet af en mikrobølgeleder. Som resultat, vi forbedrede væsentligt følsomheden af ​​disse spindefekter til at detektere magnetfelt, lokal temperatur, og lokalt pres."

Denne forskning blev udelukkende udført på Purdue University og samarbejdede på tværs af flere afdelinger. Alle tolv forfattere på dette papir er fra Purdue University:Xingyu Gao, Boyang Jiang, Andres E. Llacsahuanga Allcca, Kunhong Shen, Mohammad A. Sadi, Abhishek B. Solanki, Peng Ju, Zhujing Xu, Pramey Upadhyaya, Yong P. Chen, Sunil A. Bhave, og Tongcang Li. Den første forfatter, Xingyu Gao, er en kandidatstuderende, der arbejder i Lis laboratorium.

"Dette papir dokumenterer resultater fra samarbejdet mellem prof. Sunil A. Bhave, Prof. Yong P. Chen, Prof. Pramey Upadhyaya, og min forskningsgruppe, " siger Li. "Den samarbejdende atmosfære hos Purdue er afgørende for, at vi kan producere disse resultater hurtigt."

I dette eksperiment, gruppen anvendte en grøn laser og en mikroovn på disse spin-qubits i et 2D-materiale. Materialet vil derefter udsende fotoner med forskellige farver (rød og nær-infrarød) under belysning af en grøn laser. Hastigheden af ​​fotonemission afhænger af magnetfeltet, temperatur, og tryk. Derfor, lysstyrken af ​​disse spin-qubits vil ændre sig, når magnetfeltet, temperatur, eller trykændringer. Dermed, de var i stand til nøjagtigt at måle magnetfeltet med høj følsomhed.

I fremtiden, gruppen planlægger at bruge disse spin-qubits til at studere nye materialer. De håber også at forbedre signalet yderligere, så en enkelt spin-qubit i et 2D-materiale kan bruges til kvanteregistrering med hidtil uset følsomhed og opløsning.