Fysikere er banebrydende for ny kvanteregistreringsplatform

Kvantesensorer registrerer de mindste miljøændringer - for eksempel et atom, der reagerer på et magnetfelt. Når disse sensorer "læser" subatomære partiklers unikke adfærd, forbedrer de også dramatisk videnskabsmænds evne til at måle og registrere ændringer i vores bredere miljø.

Overvågning af disse små ændringer resulterer i en lang række applikationer – fra forbedring af navigation og naturkatastrofeprognoser til smartere medicinsk billeddannelse og detektion af biomarkører for sygdom, gravitationsbølgedetektion og endnu bedre kvantekommunikation til sikker datadeling.

Georgia Tech-fysikere er banebrydende med nye kvanteregistreringsplatforme for at hjælpe med disse bestræbelser. Forskerholdets seneste undersøgelse, "Sense spin wave excitations by spin defects in few-layer thick hexagonal bornitrid" blev offentliggjort i Science Advances denne uge.

Forskerholdet inkluderer School of Physics assisterende professorer Chunhui (Rita) Du og Hailong Wang (tilsvarende forfattere) sammen med andre Georgia Tech-forskere Jingcheng Zhou, Mengqi Huang, Faris Al-matouq, Jiu Chang, Dziga Djugba og professor Zhigang Jiang og deres samarbejdspartnere .

En ultra-følsom platform

Den nye forskning undersøger kvanteregistrering ved at udnytte farvecentre – små defekter i krystaller (Du's team bruger diamanter og andre 2D lagdelte materialer), der tillader lys at blive absorberet og udsendt, hvilket også giver krystallen unikke elektroniske egenskaber.

Ved at indlejre disse farvecentre i et materiale kaldet hexagonal bornitrid (hBN), håbede teamet at skabe en ekstremt følsom kvantesensor – en ny ressource til udvikling af næste generations transformative sensorenheder.

For sin del er hBN særligt attraktivt til kvanteregistrering og databehandling, fordi det kan indeholde defekter, der kan manipuleres med lys - også kendt som "optisk aktive spin-qubits."

Kvantespindefekterne i hBN er også meget magnetisk følsomme og tillader videnskabsmænd at "se" eller "sanse" mere detaljeret end andre konventionelle teknikker. Derudover er den arklignende struktur af hBN kompatibel med ultrafølsomme værktøjer som nanoenheder, hvilket gør det til en særlig spændende ressource til undersøgelse.

Holdets forskning har resulteret i et kritisk gennembrud i sansning af spin-bølger, siger Du og forklarer, at "i denne undersøgelse var vi i stand til at detektere spin-excitationer, der simpelthen var uopnåelige i tidligere undersøgelser."

Detektering af spinbølger er en grundlæggende komponent i kvantesansning, fordi disse fænomener kan rejse over lange afstande, hvilket gør dem til en ideel kandidat til energieffektiv informationskontrol, kommunikation og behandling.

"For første gang demonstrerede vi eksperimentelt todimensionel van der Waals kvantesansning - ved hjælp af få-lags tyk hBN i et virkeligt miljø," forklarer Du og understreger det potentiale, materialet rummer for præcis kvantesansning. "Yderligere forskning kunne gøre det muligt at fornemme elektromagnetiske træk på atomær skala ved hjælp af farvecentre i tynde lag af hBN."

Flere oplysninger: Jingcheng Zhou et al., Sensing spin wave excitations by spin defekter i få-lags-tykke hexagonal bornitrid, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk8495

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Georgia Institute of Technology