Kvantavkänning används för att överträffa moderna avkänningsprocesser genom att tillämpa kvantmekanik på design och ingenjörskonst. Dessa optimerade processer kommer att hjälpa till att överträffa de nuvarande gränserna i processer som att studera magnetiska material eller studera biologiska prover. Kortfattat, kvant är nästa gräns inom avkänningsteknik.

Så sent som 2019, spindefekter kända som qubits upptäcktes i 2D-material (hexagonal bornitrid) som kunde förstärka området för ultratunn kvantavkänning. Dessa vetenskapsmän har haft en hake i sin upptäckt som har släppt lös en vetenskaplig kapplöpning för att lösa problemen. Deras känslighet begränsades av deras låga ljusstyrka och den låga kontrasten hos deras magnetiska resonanssignal. Så sent som för två veckor sedan den 9 augusti, 2021, Naturfysik publicerade en artikel med titeln "kvantsensorer går platt, " där de lyfte fram fördelarna och även beskrev nuvarande brister med detta nya och spännande sätt att avkänna via qubits i 2D-material.

Ett team av forskare vid Purdue tog sig an denna utmaning att övervinna qubit-signalbrister i sitt arbete med att utveckla ultratunna kvantsensorer med 2D-material. Deras publicering i Nanobokstäver publicerades idag, 2 september, 2021, och de har löst några av de kritiska problemen och gett mycket bättre resultat genom experiment.

Vad gjorde de annorlunda? Dr Tongcang Li, docent i fysik och astronomi samt el- och datateknik, förklarar att guldfilm hjälpte till med detta genombrott.

"I vårt arbete, vi använde en guldfilm för att öka ljusstyrkan hos spinnqubits med upp till 17 gånger, "Li säger. "Guldfilmen stöder ytplasmonen som kan påskynda fotonemissionen så att vi kan samla in fler fotoner och därmed fler signaler. Dessutom, vi förbättrade kontrasten på deras magnetiska resonanssignal med en faktor 10 genom att optimera designen av en mikrovågsvågledare. Som ett resultat, vi förbättrade avsevärt känsligheten hos dessa spindefekter för att detektera magnetfält, lokal temperatur, och lokalt tryck."

Denna forskning utfördes helt vid Purdue University och samarbetade mellan flera avdelningar. Alla tolv författarna på detta papper är från Purdue University:Xingyu Gao, Boyang Jiang, Andres E. Llacsahuanga Allcca, Kunhong Shen, Mohammad A. Sadi, Abhishek B. Solanki, Peng Ju, Zhujing Xu, Pramey Upadhyaya, Yong P. Chen, Sunil A. Bhave, och Tongcang Li. Den första författaren, Xingyu Gao, är en doktorand som arbetar i Lis laboratorium.

"Detta dokument dokumenterar resultat från samarbetet mellan Prof. Sunil A. Bhave, Prof. Yong P. Chen, Prof. Pramey Upadhyaya, och min forskargrupp, " säger Li. "Den samarbetande atmosfären på Purdue är avgörande för att vi ska kunna producera dessa resultat snabbt."

I detta experiment, gruppen applicerade en grön laser och en mikrovågsugn på dessa spin-qubits i ett 2D-material. Materialet kommer då att avge fotoner med olika färger (röd och nära-infraröd) under belysningen av en grön laser. Hastigheten för fotonemission beror på magnetfältet, temperatur, och tryck. Därför, ljusstyrkan för dessa spin-qubits kommer att ändras när magnetfältet, temperatur, eller tryckförändringar. Således, de kunde noggrant mäta magnetfältet med hög känslighet.

I framtiden, gruppen planerar att använda dessa spin qubits för att studera nya material. De hoppas också kunna förbättra signalen ytterligare så att en enda spin-qubit i ett 2D-material kan användas för kvantavkänning med oöverträffad känslighet och upplösning.