Une étude montre que le nitrure de bore hexagonal a le potentiel de remplacer le diamant comme matériau de détection quantique

Le diamant est depuis longtemps le matériau de référence pour la détection quantique en raison de ses centres cohérents d’azote-lacune, de son spin contrôlable, de sa sensibilité aux champs magnétiques et de sa capacité à être utilisé à température ambiante. Avec un matériau aussi approprié, si facile à fabriquer et à mettre à l’échelle, il y a eu peu d’intérêt à explorer des alternatives au diamant.

Mais cette CHÈVRE du monde quantique a un talon d’Achille, c’est trop gros. Tout comme un secondeur de la NFL n’est pas le meilleur sportif pour rouler dans le Derby du Kentucky, le diamant n’est pas un matériau idéal pour explorer les capteurs quantiques et le traitement de l’information. Lorsque les diamants deviennent trop petits, le défaut super stable pour lequel ils sont réputés commence à s’effriter. Il y a une limite à laquelle le diamant devient inutile.

Entrez hBN

hBN était auparavant négligé en tant que capteur quantique et plate-forme de traitement de l’information quantique. Cela a changé récemment lorsqu’un certain nombre de nouveaux défauts ont été découverts qui s’annoncent comme des concurrents incontournables des centres de vacance d’azote du diamant.

Parmi ceux-ci, le centre de lacune de bore (un seul atome manquant dans le réseau cristallin hBN) est apparu comme le plus prometteur à ce jour. Il peut cependant exister dans divers états de charge et seul l’état de charge -1 convient aux applications basées sur le spin. Les autres états de charge ont, jusqu’à présent, été difficiles à détecter et à étudier. Cela était problématique car l’état de charge peut scintiller, basculant entre les états -1 et 0, ce qui le rend instable, en particulier dans les types d’environnements typiques des appareils et capteurs quantiques.

Mais comme indiqué dans un article publié dans Nano-lettresdes chercheurs de TMOS, l’ARC Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems, ont développé une méthode pour stabiliser l’état -1 et une nouvelle approche expérimentale pour étudier les états de charge des défauts dans hBN en utilisant une excitation optique et une irradiation simultanée par faisceau d’électrons.

Le co-auteur principal Angus Gale déclare : « Cette recherche montre que le hBN a le potentiel de remplacer le diamant en tant que matériau préférentiel pour la détection quantique et le traitement de l’information quantique, car nous pouvons stabiliser les défauts atomiques qui sous-tendent ces applications, ce qui donne des couches de hBN 2D qui pourraient être intégré dans des appareils où le diamant ne peut pas être. »

Le co-auteur principal Dominic Scognamiglio déclare : « Nous avons caractérisé ce matériau et découvert des propriétés uniques et très intéressantes, mais l’étude du hBN n’en est qu’à ses débuts. Il n’existe aucune autre publication sur la commutation de l’état de charge, la manipulation ou la stabilité des lacunes du bore , c’est pourquoi nous faisons le premier pas pour combler cette lacune dans la littérature et mieux comprendre ce matériel. »

L’investigateur en chef Milos Toth déclare : « La prochaine phase de cette recherche se concentrera sur les mesures pompe-sonde qui nous permettront d’optimiser les défauts du hBN pour les applications de détection et de photonique quantique intégrée.

La détection quantique est un domaine qui évolue rapidement. Les capteurs quantiques promettent une meilleure sensibilité et une meilleure résolution spatiale que les capteurs conventionnels. Parmi ses nombreuses applications, l’une des plus critiques pour l’industrie 4.0 et la poursuite de la miniaturisation des appareils est la détection précise de la température ainsi que des champs électriques et magnétiques dans les appareils microélectroniques. Être capable de les sentir est essentiel pour les contrôler.

La gestion thermique est actuellement l’un des facteurs limitant l’amélioration des performances des dispositifs miniaturisés. La détection quantique précise à l’échelle nanométrique aidera à prévenir la surchauffe des micropuces et à améliorer les performances et la fiabilité.

La détection quantique a également des applications importantes dans la sphère des technologies médicales, où sa capacité à détecter des nanoparticules et des molécules magnétiques pourrait un jour être utilisée comme un outil de diagnostic injectable qui recherche des cellules cancéreuses, ou elle pourrait surveiller les processus métaboliques dans les cellules pour suivre l’impact de des traitements médicaux.

Afin d’étudier les défauts de lacune de bore dans le hBN, l’équipe TMOS a créé un nouveau dispositif expérimental qui intègre un microscope photoluminescent confocal avec un microscope électronique à balayage (MEB). Cela leur a permis de manipuler simultanément les états de charge des défauts de manque de bore avec le faisceau d’électrons et les microcircuits électroniques, tout en mesurant le défaut.

Gale dit : « L’approche est nouvelle en ce sens qu’elle nous permet de focaliser le laser et d’imager des défauts individuels dans le hBN, alors qu’ils sont manipulés à l’aide de circuits électroniques et d’un faisceau d’électrons. Cette modification du microscope est unique ; elle était incroyablement utile. et rationalisé notre flux de travail de manière significative. »

Manipulation de l’état de charge des défauts de spin dans le nitrure de bore hexagonal

Les lacunes de bore chargées négativement (VB−) ​​dans le nitrure de bore hexagonal (hBN) ont récemment suscité un intérêt en tant que défauts de spin pour le traitement de l’information quantique et la détection quantique par un matériau en couches. Cependant, la lacune de bore peut exister dans un certain nombre d’états de charge dans le réseau hBN, mais seul l’état -1 a une photoluminescence dépendante du spin et agit comme une interface spin-photon. Ici, nous étudions la commutation d’état de charge des défauts VB sous excitation laser et par faisceau d’électrons.

Nous démontrons une commutation déterministe et réversible entre les états -1 et 0 (VB−⇌VB0 +e−), se produisant à des vitesses contrôlées par un excès d’électrons ou de trous injectés dans hBN par un dispositif à hétérostructure en couches. Notre travail fournit un moyen de surveiller et de manipuler l’état de charge VB et de stabiliser l’état -1 qui est une condition préalable à la manipulation du spin optique et à la lecture du défaut.