MIT -forskare har, för första gången, tillverkade en diamantbaserad kvantsensor på ett kiselchip. Förskottet kan bana väg mot låg kostnad, skalbar maskinvara för kvantberäkning, avkänning, och kommunikation.

"Nitrogen-vacancy (NV) centers" i diamanter är defekter med elektroner som kan manipuleras av ljus och mikrovågor. Som svar, de avger färgade fotoner som bär kvantinformation om omgivande magnetiska och elektriska fält, som kan användas för biosensering, neuroimaging, objektdetektering, och andra avkänningstillämpningar. Men traditionella NV-baserade kvantsensorer är ungefär lika stora som ett köksbord, med dyra, diskreta komponenter som begränsar användbarhet och skalbarhet.

I ett papper publicerat i Nature Electronics , forskarna hittade ett sätt att integrera alla de skrymmande komponenterna - inklusive en mikrovågsgenerator, optiskt filter, och fotodetektor-på ett paket i millimeterskala, med hjälp av traditionella halvledartillverkningstekniker. I synnerhet, sensorn arbetar vid rumstemperatur med funktioner för att avkänna magnetfältets riktning och storlek.

Forskarna demonstrerade sensorns användning för magnetometri, vilket betyder att de kunde mäta atomskala skiftningar i frekvensen på grund av omgivande magnetfält, som kan innehålla information om miljön. Med ytterligare förfining, sensorn kan ha en rad applikationer, från att kartlägga elektriska impulser i hjärnan till att upptäcka föremål, även utan siktlinje.

"Det är mycket svårt att blockera magnetfält, så det är en stor fördel för kvantsensorer, "säger medförfattaren Christopher Foy, en doktorand vid Institutionen för elektroteknik och datavetenskap (EECS). "Om det är ett fordon som färdas in, säga, en underjordisk tunnel under dig, du skulle kunna upptäcka det även om du inte ser det där. "

Foy med på pappret är:Mohamed Ibrahim, en doktorand i EECS; Donggyu Kim Ph.D. '19; Matthew E. Trusheim, en postdoc i EECS; Ruonan Han, docent i EECS och chef för Terahertz Integrated Electronics Group, som ingår i MIT:s Microsystems Technology Laboratories (MTL); och Dirk Englund, en MIT -docent i elektroteknik och datavetenskap, en forskare vid Research Laboratory of Electronics (RLE), och chef för Quantum Photonics Laboratory.

Krympning och stapling

NV -centra i diamanter uppstår där kolatomer på två intilliggande platser i gitterstrukturen saknas - en atom ersätts av en kväveatom, och det andra utrymmet är en tom "vakans". Det lämnar saknade bindningar i strukturen, där elektronerna är extremt känsliga för små variationer i elektriska, magnetisk, och optiska egenskaper i den omgivande miljön.

NV -centrum fungerar i huvudsak som en atom, med en kärna och omgivande elektroner. Det har också fotoluminescerande egenskaper, vilket betyder att den absorberar och avger färgade fotoner. Svepande mikrovågor över mitten kan få det att ändra tillstånd - positivt, neutral, och negativ - vilket i sin tur förändrar elektronernas snurr. Sedan, det avger olika mängder röda fotoner, beroende på snurrningen.

En teknik, kallas optiskt detekterad magnetisk resonans (ODMR), mäter hur många fotoner som avges genom att interagera med det omgivande magnetfältet. Den interaktionen producerar ytterligare, kvantifierbar information om området. För att allt detta ska fungera, traditionella sensorer kräver skrymmande komponenter, inklusive en monterad laser, strömförsörjning, mikrovågsgenerator, ledare för att leda ljuset och mikrovågor, ett optiskt filter och sensor, och en avläsningskomponent.

Forskarna utvecklade istället en ny chiparkitektur som placerar och staplar små, billiga komponenter på ett visst sätt med standardkompletterande metalloxid-halvledarteknik (CMOS), så de fungerar som dessa komponenter. "CMOS-teknik möjliggör mycket komplexa 3D-strukturer på ett chip, "Ibrahim säger." Vi kan ha ett komplett system på chipet, och vi behöver bara en bit diamant och grönt ljuskälla ovanpå. Men det kan vara en vanlig chip-skala LED. "

NV -centra i en diamantplatta är placerade i ett "avkänningsområde" av chipet. En liten grön pumplaser upphetsar NV -centren, medan en nanotråd placerad nära NV -centra genererar svepande mikrovågor som svar på ström. I grund och botten, ljuset och mikrovågsugnen arbetar tillsammans för att få NV -centra att avge en annan mängd röda fotoner - med skillnaden som målsignal för avläsning i forskarnas experiment.

Under NV -centren finns en fotodiod, utformad för att eliminera brus och mäta fotonerna. Mellan diamanten och fotodioden finns ett metallgaller som fungerar som ett filter som absorberar de gröna laserfotonerna samtidigt som de röda fotonerna når fotodioden. Kortfattat, detta möjliggör en on-chip ODMR-enhet, som mäter resonansfrekvensskift med de röda fotonerna som bär information om det omgivande magnetfältet.

Men hur kan ett chip göra jobbet med en stor maskin? Ett viktigt trick är helt enkelt att flytta den ledande tråden, som producerar mikrovågorna, på ett optimalt avstånd från NV -centren. Även om chipet är väldigt litet, detta exakta avstånd gör att trådströmmen genererar tillräckligt med magnetfält för att manipulera elektronerna. Den täta integrationen och kodesignen för de mikrovågsledande ledningarna och generationskretsarna hjälper också. I deras papper, forskarna kunde generera tillräckligt med magnetfält för att möjliggöra praktiska tillämpningar för objektdetektering.

Bara början

I en annan uppsats som presenterades tidigare i år vid International Solid-State Circuits Conference, forskarna beskriver en andra generationens sensor som gör olika förbättringar av denna design för att uppnå 100 gånger högre känslighet. Nästa, forskarna säger att de har en "färdplan" för hur man ökar känsligheten med 1, 000 gånger. Det innebär i princip att skala upp chipet för att öka densiteten hos NV -centren, som avgör känsligheten.

Om de gör det, sensorn kan användas även i neuroimaging applikationer. Det betyder att sensorn placeras nära neuroner, där den kan detektera intensiteten och riktningen för avfyrande neuroner. Det kan hjälpa forskare att kartlägga förbindelser mellan neuroner och se vilka neuroner som triggar varandra. Andra framtida applikationer, inklusive en GPS -ersättning för fordon och flygplan. Eftersom magnetfältet på jorden har kartlagts så bra, kvantsensorer kan fungera som extremt exakta kompasser, även i GPS-förnekade miljöer.

"Vi är bara i början av vad vi kan åstadkomma, "Han säger." Det är en lång resa, men vi har redan två milstolpar på banan, med första och andra generationens sensorer. Vi planerar att gå från avkänning till kommunikation till datorer. Vi vet vägen framåt och vi vet hur vi kommer dit. "

"Jag är entusiastisk över denna kvantsensorteknologi och förutser stor inverkan på flera områden, "säger Ron Walsworth, en universitetslektor vid Harvard University vars grupp utvecklar högupplösta magnetometriverktyg med NV-centra.

"De har tagit ett viktigt steg i integrationen av kvantdiamantsensorer med CMOS-teknik, inklusive mikrovågsgenerering och leverans på chip, samt on-chip-filtrering och detektion av det informationsbärande fluorescerande ljuset från kvantdefekterna i diamant. Den resulterande enheten är kompakt och relativt låg effekt. Nästa steg blir att ytterligare öka känsligheten och bandbredden för kvantdiamantsensorn [och] integrera CMOS-diamantsensorn med omfattande applikationer, inklusive kemisk analys, NMR -spektroskopi, och materialkarakterisering. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.