Kvantesensorer til højpræcisionsmagnetometri af superledere

Forskere ved Swiss Nanoscience Institute og Department of Physics ved University of Basel har udviklet en ny metode, der har gjort dem i stand til at se magnetfelter på nanometerskalaen ved temperaturer tæt på absolut nul for første gang. De brugte spins i specielle diamanter som kvantesensorer i en ny slags mikroskop til at generere billeder af magnetiske felter i superledere med uovertruffen præcision. På denne måde var forskerne i stand til at udføre målinger, der tillader ny indsigt i faststoffysik, som de melder ind Natur nanoteknologi .

Forskere i gruppen ledet af Georg-H. Endress Professor Patrick Maletinsky har i flere år forsket i såkaldte nitrogen-vacancy-centre (NV-centre) i diamanter for at kunne bruge dem som højpræcisionssensorer. NV-centrene er naturlige defekter i diamantkrystalgitteret. Elektronerne indeholdt i NV'erne kan exciteres og manipuleres med lys, og reagerer følsomt på elektriske og magnetiske felter, de udsættes for. Det er spin af disse elektroner, der ændres afhængigt af miljøet, og som kan registreres ved hjælp af forskellige målemetoder.

Maletinsky og hans team har formået at placere enkelte NV-spin ved spidsen af ​​atomkraftmikroskoper for at udføre nanoskala magnetfeltbilleddannelse. Indtil nu, sådanne analyser er altid blevet udført ved stuetemperatur. Imidlertid, talrige anvendelsesområder kræver drift ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt. Superledende materialer, for eksempel, udvikler kun deres specielle egenskaber ved meget lave temperaturer omkring -200°C. De leder derefter elektriske strømme uden tab og kan udvikle eksotiske magnetiske egenskaber med dannelsen af ​​såkaldte hvirvler.

Ved temperaturer tæt på absolut nul for første gang

I deres papir, forskerne brugte med succes deres nye mikroskop under kryogene forhold ved temperaturer på omkring 4 Kelvin (~ -269 ° C) for første gang. De var i stand til at afbilde magnetiske herreløse felter af hvirvler i en højtemperatur-superleder med en hidtil uovertruffen præcision.

Den resulterende rumlige opløsning på 10 nanometer er en til to størrelser bedre end den opnåede ved anvendelse af alternative metoder. Dette tillader for første gang en utvetydig og kvantitativ analyse af vigtige materialeparametre, såsom de magnetiske indtrængningsdybder af den superledende sonde - en af ​​de grundlæggende egenskaber ved en superleder.

"Vores resultater er ikke kun relevante for kvantesensorteknologi og superledningsevne, siger Patrick Maletinsky, kommenterer avisen, "på lang sigt vil de også have indflydelse på faststoffysik og, med yderligere forbedringer i følsomhed, de kan endda muliggøre anvendelser inden for biologi."