Un estudio muestra que el nitruro de boro hexagonal tiene potencial para reemplazar al diamante como material de detección cuántica

27 de junio de 2023

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por el Centro de Excelencia ARC para Sistemas Metaópticos Transformadores

El diamante ha sido durante mucho tiempo el material de referencia para la detección cuántica debido a sus centros coherentes de nitrógeno vacante, su giro controlable, su sensibilidad a los campos magnéticos y su capacidad de usarse a temperatura ambiente. Con un material tan adecuado y tan fácil de fabricar y escalar, ha habido poco interés en explorar alternativas al diamante.

Pero esta CABRA del mundo cuántico tiene un talón de Aquiles: es demasiado grande. Así como un apoyador de la NFL no es el mejor deportista para competir en el Derby de Kentucky, el diamante no es un material ideal cuando se exploran sensores cuánticos y procesamiento de información. Cuando los diamantes se vuelven demasiado pequeños, el defecto súper estable por el que son famosos comienza a desmoronarse. Hay un límite en el que el diamante se vuelve inútil.

Anteriormente, hBN se había pasado por alto como sensor cuántico y plataforma para el procesamiento de información cuántica. Esto cambió recientemente cuando se descubrieron una serie de nuevos defectos que se perfilan como competidores convincentes de los centros de vacantes de nitrógeno de los diamantes.

De ellos, el centro de vacantes de boro (un único átomo que falta en la red cristalina de hBN) se ha convertido en el más prometedor hasta la fecha. Sin embargo, puede existir en varios estados de carga y sólo el estado de carga -1 es adecuado para aplicaciones basadas en espín. Hasta ahora, los otros estados de carga han sido difíciles de detectar y estudiar. Esto fue problemático ya que el estado de carga puede parpadear, cambiando entre los estados –1 y 0, lo que lo hace inestable, especialmente en los tipos de entornos típicos de los dispositivos y sensores cuánticos.

Pero como se describe en un artículo publicado en Nano Letters, investigadores de TMOS, el Centro de Excelencia ARC para Sistemas Metaópticos Transformativos, han desarrollado un método para estabilizar el estado –1 y un nuevo enfoque experimental para estudiar los estados de carga de los defectos en hBNusando excitación óptica e irradiación concurrente con haz de electrones.

El coautor principal Angus Gale dice: "Esta investigación muestra que el hBN tiene el potencial de reemplazar al diamante como material preferencial para la detección cuántica y el procesamiento de información cuántica porque podemos estabilizar los defectos atómicos que sustentan estas aplicaciones, lo que da como resultado capas de hBN 2D que podrían ser integrado en dispositivos donde el diamante no puede estar."

El coautor principal Dominic Scognamiglio dice: "Hemos caracterizado este material y descubierto propiedades únicas y muy interesantes, pero el estudio de hBN está en sus inicios. No hay otras publicaciones sobre el cambio del estado de carga, la manipulación o la estabilidad de las vacantes de boro". , y es por eso que estamos dando el primer paso para llenar este vacío en la literatura y comprender mejor este material".

El investigador jefe Milos Toth dice: "La siguiente fase de esta investigación se centrará en mediciones de sondas de bomba que nos permitirán optimizar los defectos en hBN para aplicaciones en detección y fotónica cuántica integrada".

La detección cuántica es un campo que avanza rápidamente. Los sensores cuánticos prometen una mejor sensibilidad y resolución espacial que los sensores convencionales. De sus muchas aplicaciones, una de las más críticas para la Industria 4.0 y la mayor miniaturización de los dispositivos es la detección precisa de temperatura, así como de campos eléctricos y magnéticos en dispositivos microelectrónicos. Ser capaz de sentirlos es clave para controlarlos.

La gestión térmica es actualmente uno de los factores que limitan el avance del rendimiento de los dispositivos miniaturizados. La detección cuántica precisa a nanoescala ayudará a prevenir el sobrecalentamiento de los microchips y mejorará el rendimiento y la confiabilidad.

La detección cuántica también tiene aplicaciones importantes en el ámbito de la tecnología médica, donde su capacidad para detectar nanopartículas y moléculas magnéticas algún día podría usarse como una herramienta de diagnóstico inyectable que busque células cancerosas, o podría monitorear los procesos metabólicos en las células para rastrear el impacto de tratamientos médicos.

Para estudiar los defectos de vacantes de boro en hBN, el equipo de TMOS creó una nueva configuración experimental que integraba un microscopio fotoluminiscente confocal con un microscopio electrónico de barrido (SEM). Esto les permitió manipular simultáneamente los estados de carga de los defectos de vacancia de boro con el haz de electrones y los microcircuitos electrónicos, mientras medían el defecto.

Gale dice: "El enfoque es novedoso porque nos permite enfocar el láser y obtener imágenes de defectos individuales en hBN, mientras se manipulan usando circuitos electrónicos y un haz de electrones. Esta modificación del microscopio es única; fue increíblemente útil y agilizamos significativamente nuestro flujo de trabajo".

Las vacantes de boro cargadas negativamente (VB-) en nitruro de boro hexagonal (hBN) han ganado interés recientemente como defectos de espín para el procesamiento de información cuántica y la detección cuántica mediante un material en capas. Sin embargo, la vacante de boro puede existir en varios estados de carga en la red hBN, pero solo el estado -1 tiene fotoluminiscencia dependiente del espín y actúa como una interfaz espín-fotón. Aquí, investigamos el cambio del estado de carga de defectos VB bajo excitación con láser y haz de electrones.

Demostramos un cambio determinista y reversible entre los estados -1 y 0 (VB−⇌VB0 +e−), que ocurre a velocidades controladas por el exceso de electrones o huecos inyectados en hBN mediante un dispositivo de heteroestructura en capas. Nuestro trabajo proporciona un medio para monitorear y manipular el estado de carga de VB y estabilizar el estado -1, que es un requisito previo para la manipulación del giro óptico y la lectura del defecto.

Más información: Angus Gale et al, Manipulación del estado de carga de defectos de giro en nitruro de boro hexagonal, Nano Letters (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c01678

Información de la revista:Nano letras

Proporcionado por el Centro de Excelencia ARC para Sistemas Metaópticos Transformadores