Integrerade kretsar blir allt mer komplexa. Idag innehåller en Pentium -processor cirka 30 miljoner transistorer. Och de magnetiska strukturerna som finns på hårddiskar mäter bara 10 till 20 nanometer över - mindre än ett influensavirus med 80 till 120 nanometer i diameter. Dimensioner närmar sig snabbt kvantfysikens område och, redan, forskare vid Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF i Freiburg tillämpar sig på morgondagens kvantteknologiska utmaningar. Tillsammans med kollegor vid Max Planck Institute for Solid State Research, de utvecklar en kvantsensor som exakt kan mäta de små magnetfält som vi kan förvänta oss att se i nästa generation hårddiskar. Sensorn i sig är bara något större än en kväveatom, med en syntetisk diamant för att fungera som ett substrat.

Diamant har en mängd fördelar helt bortsett från dess betydande mekaniska och kemiska stabilitet. Till exempel, man kan implantera främmande atomer som bor eller fosfor, därigenom förvandlas kristallerna till halvledare. Diamant är också det perfekta materialet för optiska kretsar. Men kanske är dess största egenskap den imponerande värmeledningsförmågan, med styrkan hos kolatombindningarna som säkerställer att värmen snabbt försvinner.

Under de senaste decennierna har Fraunhofer IAF har utvecklat optimerade system för att producera diamanter. Processen för massproduktion sker i en plasmareaktor, och Freiburg har många av dessa silverfärgade enheter. Plasma tänds för att generera temperaturer på 800 till 900 grader Celsius så att, när gas matas in i kammaren, diamantskikt kan bildas på det fyrkantiga underlaget. Diamantkristallerna har en kantlängd på mellan tre och åtta millimeter, och separeras sedan från substratet och poleras med hjälp av en laser.

Förbereder diamanten för att fungera som en magnetisk detektor

För att tillverka den innovativa kvantsensorn krävs en särskilt ren kristall, vilket har inspirerat till ytterligare förbättringar i processen. Till exempel, för att odla ultrarena diamantskikt, metanet som ger kolet till diamanten förfiltreras med hjälp av ett zirkoniumfilter. Dessutom, gasen måste vara isotopiskt ren, eftersom endast 12C - en stabil isotop av kolatomen - har noll kärnvridning, vilket är en förutsättning för den magnetiska sensorn senare. Vätet genomgår också en reningsprocess, varefter den ultrarene enkristalldiamanten måste förberedas för sin roll som magnetisk detektor. Här finns två alternativ:antingen sätter du in en enda kväveatom i den extremt fina spetsen, eller tillsätter du kväve i slutfasen av diamantproduktionsprocessen. Efter det, diamantspetsen slipas i syreplasma med hjälp av en etsningsprocess i institutets eget renrum. Slutresultatet är en extremt fin diamantspets som liknar den hos ett atomkraftmikroskop. Nyckeln till hela konstruktionen är den tillsatta kväveatomen tillsammans med en angränsande vakans i kristallstrukturen.

Detta kombinerade kvävevakanscenter fungerar som den faktiska sensorn, avger ljus när det utsätts för en laser och mikrovågor. Om det finns en magnet i närheten, det kommer att variera i sitt ljusutsläpp. Experter kallar denna elektronspinnresonansspektroskopi. Inte bara kan denna teknik upptäcka magnetfält med nanometer noggrannhet, det kan också bestämma deras kraft, öppnar upp ett extraordinärt användningsområde. Till exempel, de små diamantspetsarna kan användas för att övervaka hårddiskens kvalitet. Dessa datalagringsenheter är tätt packade och det finns alltid små fel. Kvantsensorn kan identifiera defekta datasegment så att de utesluts från skivläsnings- och skrivprocessen. Detta minskar defektfrekvensen, som skjuter i höjden när miniatyriseringen fortsätter i takt, och sänker produktionskostnaderna.

Kvantsensorer kan mäta hjärnaktivitet

Den lilla sensorn kan eventuellt appliceras i ett brett spektrum av scenarier, eftersom det finns svaga magnetfält överallt, även i hjärnan. "När elektroner rör sig, de genererar ett magnetfält, "säger IAF -experten Christoph Nebel. Så när vi tänker eller känner, våra hjärnor genererar magnetfält. Forskare är angelägna om att lokalisera denna hjärnaktivitet för att bestämma de områden i hjärnan som är ansvariga för en viss funktion eller känsla. Detta kan göras direkt genom att mäta hjärnvågor med hjälp av elektroder, men resultaten är väldigt oprecisa. Magnetfältmätningar ger mycket bättre resultat. Dock, sensorerna som används för tillfället har en betydande nackdel genom att de måste kylas med flytande kväve. Utifrån diamantens extrema värmeledningsförmåga, den nya tekniken kan fungera vid rumstemperatur utan att behöva kylas. För denna applikation, istället för att använda fina tips skulle du använda små blodplättar som innehåller flera kväve-vakanscentra. Varje centrum ger en punkt i bilden och tillsammans, en detaljerad bild.

För närvarande, dock, Christoph Nebel och hans team fokuserar sin uppmärksamhet på att forska och optimera diamant som ett högteknologiskt material. Denna applikation inom kvantsensorteknik är en lovande början.