Kvantsensorer upptäcker de minsta miljöförändringar - till exempel en atom som reagerar på ett magnetfält. När dessa sensorer "läser" subatomära partiklars unika beteende, förbättrar de också dramatiskt forskarnas förmåga att mäta och upptäcka förändringar i vår större miljö.
Övervakning av dessa små förändringar resulterar i ett brett utbud av tillämpningar – från förbättrad navigering och naturkatastrofprognoser, till smartare medicinsk avbildning och detektering av biomarkörer för sjukdomar, gravitationsvågdetektering och ännu bättre kvantkommunikation för säker datadelning.
Georgia Tech-fysiker banar väg för nya kvantavkänningsplattformar för att hjälpa till i dessa ansträngningar. Forskargruppens senaste studie, "Sensing spin wave excitations by spin defects in few-layer thick hexagonal bornitride" publicerades i Science Advances denna vecka.
I forskargruppen ingår biträdande professorer vid skolan för fysik Chunhui (Rita) Du och Hailong Wang (motsvarande författare) tillsammans med andra Georgia Tech-forskare Jingcheng Zhou, Mengqi Huang, Faris Al-matouq, Jiu Chang, Dziga Djugba och professor Zhigang Jiang och deras medarbetare .
Den nya forskningen undersöker kvantavkänning genom att utnyttja färgcentra – små defekter i kristaller (Du:s team använder diamanter och andra 2D-lagermaterial) som tillåter ljus att absorberas och sändas ut, vilket också ger kristallen unika elektroniska egenskaper.
Genom att bädda in dessa färgcentra i ett material som kallas hexagonal bornitrid (hBN), hoppades teamet kunna skapa en extremt känslig kvantsensor – en ny resurs för att utveckla nästa generations transformativa avkänningsenheter.
För sin del är hBN särskilt attraktivt för kvantavkänning och beräkning eftersom det kan innehålla defekter som kan manipuleras med ljus – även känd som "optiskt aktiva spin-qubits."
Kvantspinndefekterna i hBN är också mycket magnetiskt känsliga och gör det möjligt för forskare att "se" eller "känna" mer detaljerat än andra konventionella tekniker. Dessutom är den arkliknande strukturen hos hBN kompatibel med ultrakänsliga verktyg som nanoenheter, vilket gör det till en särskilt spännande resurs för undersökningar.
Teamets forskning har resulterat i ett kritiskt genombrott när det gäller att känna av spinnvågor, säger Du och förklarar att "i den här studien kunde vi upptäcka spinnexcitationer som helt enkelt var ouppnåeliga i tidigare studier."
Att upptäcka spinnvågor är en grundläggande komponent i kvantavkänning, eftersom dessa fenomen kan färdas över långa sträckor, vilket gör dem till en idealisk kandidat för energieffektiv informationskontroll, kommunikation och bearbetning.
"För första gången demonstrerade vi experimentellt tvådimensionell van der Waals kvantavkänning - med få lager tjock hBN i en verklig miljö", förklarar Du och understryker potentialen som materialet har för exakt kvantavkänning. "Ytterligare forskning skulle kunna göra det möjligt att känna av elektromagnetiska egenskaper på atomär skala med hjälp av färgcentra i tunna lager av hBN."
Mer information: Jingcheng Zhou et al., Sensing spin wave excitations by spin defekter i några lager tjocka hexagonal bornitrid, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk8495
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Georgia Institute of Technology
