Sensor på størrelse med et nitrogenatom undersøger harddiske

Integrerede kredsløb bliver mere og mere komplekse. I disse dage indeholder en Pentium-processor omkring 30 millioner transistorer. Og de magnetiske strukturer, der findes i harddiske, måler kun 10 til 20 nanometer i diameter - mindre end en influenzavirus med en diameter på 80 til 120 nanometer. Dimensioner nærmer sig hurtigt kvantefysikkens område og, allerede, forskere ved Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF i Freiburg anvender sig selv til morgendagens kvanteteknologiske udfordringer. Sammen med kolleger ved Max Planck Institute for Solid State Research, de er ved at udvikle en kvantesensor, der præcist vil kunne måle de små magnetiske felter, vi kan forvente at se i den næste generation af harddiske. Selve sensoren er bare lidt større end et nitrogenatom, med en syntetisk diamant til at fungere som et substrat.

Diamant har en række fordele, bortset fra dens betydelige mekaniske og kemiske stabilitet. For eksempel, man kan implantere fremmede atomer som bor eller fosfor, derved omdanner krystallerne til halvledere. Diamant er også det perfekte materiale til optiske kredsløb. Men måske dens største egenskab er dens imponerende varmeledningsevne, med styrken af ​​carbonatombindingerne, der sikrer, at varmen hurtigt spredes.

I løbet af de sidste årtier, Fraunhofer IAF har udviklet optimerede systemer til fremstilling af diamanter. Processen til masseproduktion foregår i en plasmareaktor, og Freiburg besidder mange af disse sølvfarvede apparater. Plasma antændes for at generere temperaturer på 800 til 900 grader Celsius, så når gas føres ind i kammeret, diamantlag kan dannes på det firkantede underlag. Diamantkrystallerne har en kantlængde på mellem tre og otte millimeter, og separeres derefter fra substratet og poleres ved hjælp af en laser.

Forbereder diamanten til at fungere som en magnetisk detektor

Fremstilling af den innovative kvantesensor kræver en særlig ren krystal, hvilket har inspireret til yderligere forbedringer i processen. For eksempel, for at dyrke ultrarene diamantlag, den metan, der giver kulstoffet til diamanten, er forfiltreret ved hjælp af et zirconiumfilter. Oven i købet, gassen skal være isotopisk ren, da kun 12C - en stabil isotop af kulstofatomet - har nul nuklear spin, hvilket er en forudsætning for den magnetiske sensor senere. Brinten gennemgår også en rensningsproces, hvorefter den ultrarene enkrystal diamant skal forberedes til sin rolle som magnetisk detektor. Her er der to muligheder:enten indsætter du et enkelt nitrogenatom i den ekstremt fine spids, eller du tilføjer nitrogen i den sidste fase af diamantproduktionsprocessen. Efter det, diamantspidsen slibes i iltplasma ved hjælp af en ætseproces i instituttets eget renrum. Det endelige resultat er en ekstremt fin diamantspids, der ligner et atomkraftmikroskop. Nøglen til hele designet er det tilføjede nitrogenatom sammen med en tilstødende ledig plads i krystalstrukturen.

Dette kombinerede nitrogen-fritidscenter fungerer som den egentlige sensor, udsender lys, når den udsættes for en laser og mikrobølger. Hvis der er en magnet i nærheden, det vil variere i sin lysudsendelse. Eksperter kalder dette elektronspin resonansspektroskopi. Ikke alene kan denne teknik detektere magnetiske felter med nanometer nøjagtighed, det kan også bestemme deres styrke, åbner op for en ekstraordinær række applikationer. For eksempel, de bittesmå diamantspidser kan bruges til at overvåge harddiskkvaliteten. Disse datalagringsenheder er tæt pakket, og der er altid små fejl. Kvantesensoren kan identificere defekte datasegmenter, så de udelukkes fra diskens læse- og skriveproces. Dette reducerer antallet af defekter, som er skyhøje, mens miniaturiseringen fortsætter hastigt, og reducerer produktionsomkostningerne.

Kvantesensorer kunne måle hjerneaktivitet

Den lille sensor kan potentielt anvendes i en lang række scenarier, da der er svage magnetfelter overalt, selv i hjernen. "Når elektroner bevæger sig, de genererer et magnetfelt, " siger IAF-ekspert Christoph Nebel. Så når vi tænker eller føler, vores hjerner genererer magnetiske felter. Forskere er ivrige efter at lokalisere denne hjerneaktivitet for at bestemme de områder af hjernen, der er ansvarlige for en bestemt funktion eller følelse. Dette kan gøres direkte ved at måle hjernebølger ved hjælp af elektroder, men resultaterne er meget upræcise. Magnetiske feltmålinger giver langt bedre resultater. Imidlertid, de sensorer, der er i brug i øjeblikket, har en væsentlig ulempe, idet de skal køles med flydende nitrogen. Med udgangspunkt i diamantens ekstreme termiske ledningsevne, den nye teknologi kan fungere ved stuetemperatur uden behov for afkøling. For denne ansøgning, i stedet for at bruge fine spidser ville du bruge bittesmå blodplader, der inkorporerer flere nitrogen-fritidscentre. Hvert center giver et punkt i billedet og, sammen, et detaljeret billede.

I øjeblikket, imidlertid, Christoph Nebel og hans team fokuserer deres opmærksomhed på at undersøge og optimere diamant som et højteknologisk materiale. Denne applikation inden for kvantesensorteknologi er en lovende begyndelse.