Forscher der Purdue University haben zum Patent angemeldete eindimensionale Bornitrid-Nanoröhren (BNNTs) entwickelt, die Spin-Qubits oder Spin-Defekte enthalten. Die BNNTs sind bei der Erkennung außeraxialer Magnetfelder mit hoher Auflösung empfindlicher als herkömmliche Diamantspitzen, die in Rastersonden-Magnetfeldmikroskopen verwendet werden.
Tongcang Li, Professor für Physik sowie Elektro- und Computertechnik, leitet ein Team, das BNNTs mit optisch aktiven Spin-Qubits entwickelt hat. Er ist außerdem Mitglied der Fakultät des Purdue Quantum Science and Engineering Institute. Zum Team gehören Xingyu Gao, Sumukh Vaidya und Saakshi Dikshit, Doktoranden an der Purdue University, die Mitautoren eines in der Zeitschrift veröffentlichten Artikels sind Naturkommunikation.
„BNNT-Spin-Qubits reagieren empfindlicher auf die Erkennung von Magnetfeldern außerhalb der Achse als ein Diamant-Stickstoff-Leerstellenzentrum, das hauptsächlich auf Felder reagiert, die parallel zu seiner Achse, aber nicht senkrecht dazu verlaufen“, sagte Li. „BNNTs sind außerdem kostengünstiger und widerstandsfähiger als spröde Diamantspitzen.“
Zu den BNNT-Anwendungen gehört die Quantensensortechnologie, die Veränderungen in Magnetfeldern misst und Daten auf atomarer Ebene sammelt und analysiert.
„Sie finden auch Anwendung in der Halbleiterindustrie und der nanoskaligen MRT oder Magnetresonanztomographie“, sagte Gao.
Testen und Entwickeln von BNNT-Spin-Qubits
Das System wurde auf einem speziell angefertigten Laborsystem getestet, das Laser, Detektoren und Signalgeneratoren zur Steuerung des Quantenzustands der Nanoröhren-Spin-Qubits umfasste.
„Diese BNNT-Spin-Qubits reagieren empfindlich auf Magnetfelder und zeigen optisch erfasste Magnetresonanz“, sagte Vaidya. „Bei Einwirkung eines Magnetfeldes verändern sich die Energieniveaus der Spin-Qubits innerhalb der BNNTs, was mit Licht gemessen werden kann.“
Bei der ersten Demonstration zeigten BNNTs eine vergleichbare Leistung wie Diamantspitzen.
„Da die Bornitrid-Nanoröhren räumlich viel kleiner sind als die Diamantspitzen, gehen wir davon aus, dass wir mit dem System höhere Zahlen erreichen können“, sagte Dikshit.
Li sagte, dass die Purdue-Forscher die räumliche Auflösung und Magnetfeldempfindlichkeit für das BNNT-Spin-Qubit-System verbessern wollen. Diese Verbesserungen könnten die Quantenerfassung von Phänomenen auf atomarer Ebene ermöglichen.
„Dies würde ein sehr hochauflösendes Scannen der magnetischen Oberflächeneigenschaften ermöglichen“, sagte Vaidya. „Durch die Verbesserung der Empfindlichkeit können wir entweder präzisere Informationen erhalten oder eine schnellere Auslesung der externen Magnetfelder erreichen, was beides Anwendungen in der Quantenwissenschaft, der Speicher-, Medizin- und Halbleiterindustrie hat.“
Weitere Informationen:
Xingyu Gao et al., Nanoröhren-Spindefekte für die omnidirektionale Magnetfeldmessung, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51941-2