Wissenschaftlern der Universität Tokio ist die heikle Aufgabe gelungen, Quantensensoren im Nanomaßstab anzuordnen, die es ihnen ermöglichen, extrem kleine Variationen in Magnetfeldern zu erkennen. Die hochauflösenden Quantensensoren werden potenzielle Anwendungen in der Quantenmaterial- und elektronischen Geräteforschung haben. Beispielsweise können die Sensoren dabei helfen, Festplatten zu entwickeln, die nanomagnetische Materialien als Speicherelemente verwenden. Dabei handelt es sich um die weltweit erste erfolgreiche hochauflösende Magnetfeldbildgebung mithilfe einer nanoskaligen Anordnung von Quantensensoren.
Sensoren umgeben uns in unserem täglichen Leben, von Garagenlichtern über Rauchmelder bis hin zu Atomen. Quantensensoren erfassen die Umgebung um sie herum anhand der Eigenschaften eines Atoms. Beispielsweise ändert ein Atom als Reaktion auf ein Magnetfeld seinen Spin, der wie die Pole eines Magneten zwei Werte annimmt. Magnetfeldsensoren finden zahlreiche Anwendungen in biomedizinischen Geräten und in der Quantenmaterialforschung, einschließlich Supraleitern.
Kento Sasaki, Assistenzprofessor an der Universität Tokio, sagt: „Mit einem so beispiellosen Sensor wollen wir eine mikroskopische Welt beobachten, die noch nie jemand gesehen hat.“
Die Forscher wollten stabile Quantensensoren entwickeln, die in der Nähe von Zielen wie Drähten und Scheiben platziert werden. Bisher war es jedoch eine Herausforderung, Atome präzise anzuordnen, um winzige Variationen im Magnetfeld wahrnehmen zu können.
„Obwohl einzelne Quantensensoren klein sind, ist ihre räumliche Auflösung durch den Abstand zwischen Sensor und Messziel eingeschränkt“, sagt Sasaki. Um das Problem zu lösen, entwickelten die Forscher eine Technik zur Herstellung von Quantensensoren in Nanogröße auf der Oberfläche des Messziels.
Als Quantensensoren nutzte das Team Bor-Leerstellen oder Gitterdefekte im zweidimensionalen hexagonalen Bornitrid, einem dünnen kristallinen Material mit Stickstoff- und Boratomen. Der Bor-Leerstellen-Defekt ist seit seiner Entdeckung als Quanten-Spin-Sensor im Jahr 2020 der Neuling im Block.
Das Team zog das Klebeband vom Kristall ab und erhielt einen dünnen Film aus hexagonalem Bornitrid. Die Forscher befestigten den dünnen Film am Zielgolddraht. Dann beschossen sie den Film mit einem Hochgeschwindigkeits-Heliumionenstrahl, wodurch Boratome herausgeschleudert wurden und Bor-Leerstellen von 100 nm2 entstanden.
Jeder Fleck enthält viele atomgroße Leerstellen, die sich wie winzige Magnetnadeln verhalten. Je näher die Spots beieinander liegen, desto besser ist die räumliche Auflösung der Sensoren. Während Strom durch den Draht floss, maß das Team das Magnetfeld an jedem Punkt anhand der Intensität des von den Punkten emittierten Lichts in Gegenwart von Mikrowellen. Die Forscher waren verblüfft, als die gemessenen Werte des Magnetfelds sehr gut mit den simulierten Werten übereinstimmten und die Wirksamkeit der hochauflösenden Quantensensoren bewiesen.
Die Änderung des Spinzustands des Sensors bei Vorhandensein eines Magnetfelds kann bereits bei Raumtemperatur erfasst werden und ermöglicht so eine einfache Erkennung des lokalen Magnetfelds und der Ströme. Darüber hinaus haften die Bornitrid-Nanofilme allein durch die Van-der-Waals-Kraft an Objekten, was bedeutet, dass die Quantensensoren problemlos an verschiedenen Materialien haften bleiben.
Sasaki und sein Team planen, diese Technik für die Erforschung der Physik der kondensierten Materie und von Quantenmaterialien anzuwenden. „Es wird die direkte Erkennung des Magnetfelds beispielsweise von eigenartigen Zuständen an Kanten von Graphen und mikroskopisch kleinen Quantenpunkten ermöglichen“, fügt Sasaki hinzu.
Atomgroße Quantensensoren beginnen, die Art und Weise zu revolutionieren, wie wir mikroskopische Umgebungen wahrnehmen und damit auch makroskopische Eigenschaften verstehen. Ihre Anwendungen gehen über die Grundlagenforschung hinaus. Sie können dabei helfen, menschliche Gehirne abzubilden, die Geolokalisierung genau durchzuführen, unterirdische Umgebungen zu kartieren und tektonische Verschiebungen und Vulkanausbrüche zu erkennen. Sasaki und sein Team erwarten die möglichen Einsatzmöglichkeiten ihrer nanoskaligen Quantensensoren in Halbleitern, magnetischen Materialien und Supraleitern.
Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur Angewandten Physik.
Mehr Informationen:
Kento Sasaki et al., Magnetfeldbildgebung durch hBN-Quantensensor-Nanoarray, Briefe zur Angewandten Physik (2023). DOI: 10.1063/5.0147072