Novo sensor quântico 2D detecta anomalias de temperatura e campos magnéticos

Pesquisadores do TMOS, do Centro de Excelência ARC para Sistemas Meta-Ópticos Transformativos, e seus colaboradores da Universidade RMIT desenvolveram um novo chip de detecção quântica 2D usando nitreto de boro hexagonal (hBN) que pode detectar simultaneamente anomalias de temperatura e campo magnético em qualquer direção em um novo e inovador formato de película fina.

Em seu artigo publicado em Comunicações da Naturezaeles detalham um sensor que é significativamente mais fino do que a atual tecnologia quântica para magnetometria, abrindo caminho para sensores quânticos mais baratos e versáteis.

Até o momento, chips de detecção quântica foram feitos de diamante, pois é uma plataforma muito robusta. As limitações dos sensores baseados em diamante, no entanto, é que eles só conseguem detectar campos magnéticos quando alinhados na direção do campo. Se não estiverem alinhados, eles têm grandes pontos cegos. Como resultado, magnetômetros feitos de diamante devem conter vários sensores em vários graus de alinhamento.

Isso aumenta a dificuldade de operação e, como resultado, a versatilidade de uso em diferentes aplicações. Além disso, a natureza rígida e tridimensional do sensor quântico significa que sua capacidade de se aproximar de amostras que não são perfeitamente lisas é restrita.

O pesquisador associado do TMOS Jean-Philippe Tetienne (RMIT University) e o pesquisador chefe Igor Aharonovich (University of Technology Sydney) e suas equipes são pioneiros em uma nova plataforma de detecção quântica usando hBN. Esses cristais de hBN são feitos de camadas de folhas atomicamente espessas e são flexíveis, o que permite que os chips de detecção se adaptem ao formato da amostra que está sendo estudada, chegando muito mais perto da amostra do que o diamante.

Existem diferentes defeitos no hBN que produzem diferentes fenômenos ópticos. Um defeito baseado em carbono descoberto recentemente, cuja estrutura atômica permanece não identificada, detecta campos magnéticos em qualquer direção, mas até agora não foi usado para imagens magnéticas.

Em um esforço para determinar a estrutura do defeito não identificado, a equipe executou um experimento de medição Rabi e comparou os resultados com o defeito de vacância de boro bem compreendido que também existe em hBN. Esse defeito de vacância de boro pode ser usado para medir a temperatura em um nível quântico. Por meio dessa comparação, eles descobriram que o novo defeito se comporta como um sistema de meio spin. Essa natureza de meio spin do defeito de carbono é o que permite que o sensor detecte campos magnéticos em qualquer direção.

A equipe determinou que esse novo sensor de meio spin baseado em carbono poderia ser controlado por excitação elétrica, da mesma forma que o sensor de vacância de boro, e que eles poderiam ser ajustados para interagir um com o outro. Energizados por essas descobertas, eles se propuseram a demonstrar um chip sensor de hBN que poderia usar ambos os defeitos de spin simultaneamente para medir o campo magnético e a temperatura. O artigo deles mostra as primeiras imagens magnéticas já tiradas com esse sensor isotrópico não identificado.

O coautor Sam Scholten, da Universidade RMIT, diz: “Defeitos de spin opticamente tratáveis ​​em sólidos formam um conjunto de ferramentas vitais no reino dos materiais quânticos devido ao seu potencial para serem utilizados como sensores quânticos em nanoescala e, de forma mais geral, como sistemas quânticos robustos em temperatura ambiente.

“O que torna o hBN único e interessante é sua forma 2D, que permite que nossos sensores cheguem muito mais perto da amostra.”

A coautora Priya Singh, da RMIT University, diz: “Spins de diamante têm sido usados ​​por mais de uma década em sistemas biológicos como uma sonda in situ. Estou ansiosa para levar nosso hBN para o ambiente celular em movimento contínuo, onde a independência direcional do sensor seria uma vantagem.”

O investigador chefe do TMOS, Igor Aharonovich, diz: “hbN tem muitas vantagens sobre o diamante como uma fonte de luz quântica para comunicações e sensoriamento. Além de seu fator de forma ultrafino, ele também pode operar como uma fonte de luz quântica para comunicações em temperatura ambiente, onde o diamante frequentemente requer resfriamento criogênico. hBN também é muito mais barato e mais acessível do que o diamante.”

Geralmente, esses novos materiais de baixa dimensão oferecem a chance de descobrir novas físicas devido à sua extrema anisotropia. Possíveis aplicações futuras para essa tecnologia de sensoriamento quântico incluem identificação em campo de características geológicas magnéticas. A natureza de spin half do defeito também permitirá a radioespectroscopia em uma banda mais ampla do que as tecnologias concorrentes.

O pesquisador associado do TMOS, Jean-Phillipe Tetienne, diz: “O próximo passo para esta pesquisa é identificar quais são os defeitos atômicos no hBN. Ao entender a composição deles, podemos progredir em direção à engenharia de dispositivos sensores para desempenho ideal.

“Estou animado para explorar as propriedades e oportunidades desse novo defeito de spin óptico. Sua natureza de spin half é nova em nossa comunidade, e há muitas perguntas a serem respondidas.”