По словам исследователей, новый прототип «квантового микроскопа» однажды сможет анализировать материю с беспрецедентной точностью. Согласно новому исследованию, новое устройство может в один прекрасный день исследовать производительность атомарно-тонкой 2D-электроники следующего поколения и запускать МРТ-сканирование молекул, чтобы помочь получить ключевую информацию для медицинских прорывов.
Квантовые эффекты, конечно, печально известны своей уязвимостью к внешнему вмешательству. Однако квантовые датчики используют эту уязвимость для достижения необычайной чувствительности к малейшим возмущениям в окружающей среде. Например, исследователи в настоящее время разрабатывают квантовые датчики, которые могут обнаруживать объекты, скрытые под землей, с беспрецедентной детализацией .
Квантовая микроскопия использует квантовые датчики для отображения магнитных, электрических, тепловых и других характеристик образцов в микроскопических масштабах. В новом исследовании ученые разработали прототип квантового микроскопа на основе чешуек гексагонального нитрида бора . Эта керамика часто находит применение в качестве изоляционного материала в двумерной электронике атомарной толщины .
«У человека на кончиках пальцев могут быть миллионы сенсоров. Это намного сложнее, почти невозможно с любой другой системой».
— Александр Хили, Мельбурнский университет
Прототип системы микроскопии помещает гексагональные чешуйки нитрида бора толщиной от 10 до 100 нанометров поверх образцов. Эти образцы имеют дефекты, в которых отсутствуют атомы бора. Когда эти отрицательно заряженные вакансии освещаются зеленым лазерным лучом, они флуоресцируют в ближнем инфракрасном диапазоне. Магнитные, электрические, тепловые и другие помехи могут изменить эту реакцию, позволяя этим дефектам служить датчиками. Каждая гексагональная чешуйка нитрида бора представляет собой массив датчиков.
В ходе экспериментов ученые проанализировали чешуйки теллурида хрома, материала, обладающего магнитными свойствами чуть выше комнатной температуры. Магнитные материалы часто делятся на домены, в которых все магнитные полюса указывают в одном направлении. Исследователи смогли отобразить магнитные домены образца в условиях окружающей среды, что ранее считалось невозможным.
Кроме того, ученые могли одновременно нанести на карту тепловые и магнитные характеристики чешуек теллурида хрома, чтобы увидеть связи между температурой и магнетизмом в образце. Они также могли отображать зарядные токи и нагрев графенового устройства во время его работы.
«Одновременное отображение температуры и магнитных свойств в работающем устройстве спинтроники было бы полезно, потому что мы могли бы видеть, какие части устройства нагреваются сильнее и как это локально влияет на магнитные свойства, что очень помогло бы понять общую производительность устройства. », — говорит ведущий автор исследования Александр Хили, физик из Мельбурнского университета.
Квантовый микроскоп может также отображать атомные структуры молекул, по сути, «реализуя МРТ атомного масштаба», — говорит Хили. «Это было бы чрезвычайно полезно для биомедицинских исследований, потому что это может позволить нам составить карту атомной структуры некоторых биомолекул, которые в настоящее время не поддаются стандартным методам определения структуры».
Гексагональный нитрид бора также может найти применение в приложениях дистанционного зондирования, «в основном для измерения магнитных полей с высокой точностью и прецизионностью, выходящей за рамки того, что возможно с помощью существующих технологий», — говорит Хили. «Существует много потенциальных применений этих квантовых магнитометров — например, обнаружение аномалий в магнитном поле Земли для обнаружения скрытых объектов и разведки ресурсов, картирование подземных полезных ископаемых, таких как железо. Можно не сверлить массивную дыру, а просто воткнуть волокно, содержащее гексагональный нитрид бора, на несколько сотен метров, чтобы получить сигнал».
Гексагональный нитрид бора состоит из слоев, удерживаемых вместе слабыми электрическими силами, известными как взаимодействия Ван-дер-Ваальса , теми же силами, которые часто делают клейкие ленты липкими. Исследователи могут снимать пленки с так называемых ван-дер-ваальсовых материалов, которые по своей природе являются двумерными. Это означает, что новый квантовый микроскоп может перемещать свои датчики всего на несколько атомов от исследуемых образцов, что приводит к улучшению разрешения и чувствительности. Напротив, предыдущая квантовая микроскопия опиралась на жесткие трехмерные кристаллы, такие как алмаз . Эти датчики могли находиться в лучшем случае всего в нескольких десятках нанометров от образцов, что ограничивало то, что они могли обнаружить.
«Это большое преимущество по сравнению, например, с квантовой микроскопией SQUID, которая всегда требует низких температур, что не позволяет работать в условиях окружающей среды, не говоря уже о жидкостях».
— Александр Хили, Мельбурнский университет
«Чем ближе датчик к образцу, тем легче датчику обнаруживать очень мелкие сигналы от образца и детали на меньших масштабах», — говорит Хили.
Ученые отмечают, что в гексагональных чешуйках нитрида бора, которые они использовали, только несколько дефектов находились в пределах атомной близости от образца. Вместо этого большинство дефектов находились в среднем примерно в 20 нанометрах от образца 40-нм чешуйки, используемой в большинстве их экспериментов. Таким образом, новый квантовый микроскоп не так чувствителен, как современные квантовые микроскопы на основе алмазов, хотя и обладает сравнимым пространственным разрешением. (В частности, прототип достиг пространственного разрешения около 1 микрометра, магнитной чувствительности около 100 микротесла и тепловой чувствительности около 5 кельвинов.)
В будущем исследователи стремятся выборочно создавать дефекты в ближайших к образцам атомных слоях гексагональных чешуек нитрида бора или использовать более тонкие чешуйки. По их словам, такие улучшения могут помочь их квантовому микроскопу реализовать пространственное разрешение 10 нм и стократное повышение чувствительности.
Кроме того, исследователи отмечают, что квантовая микроскопия гексагонального нитрида бора, как и квантовая микроскопия на основе алмаза, может работать в самых разных условиях. Они варьируются от криогенных до температур, значительно превышающих комнатные, от вакуума до очень высоких давлений и в жидкостных условиях.
«Это большое преимущество по сравнению , например, с квантовой микроскопией SQUID , которая всегда требует низких температур, что не позволяет работать в условиях окружающей среды, не говоря уже о жидкостях», — говорит Хили.
Кроме того, относительно просто приготовить чешуйки гексагонального нитрида бора. «Можно отслоить гексагональный нитрид бора скотчем и получить миллионы датчиков на кончиках пальцев», — говорит Хили. «Это гораздо труднее или почти невозможно с любой другой системой».
Более того, гексагональный нитрид бора часто уже используется в нанотехнологиях — например, используется для инкапсуляции более деликатных материалов, говорит Хили. Поэтому не стоит беспокоиться о том, как это может повлиять на какие-либо свойства анализируемых образцов, говорит Хили. «Использование мощного лазера, конечно, может быть инвазивным, но мы обнаружили, что мощность можно снизить до уровня незначительного нагрева, сохранив при этом нашу способность ощущать», — добавляет он.
Ученые продолжают искать материалы, которые могут оказаться даже лучшими для квантовой микроскопии, чем гексагональный нитрид бора. «Мы ожидаем, что этот поиск идеального квантового датчика станет важным направлением будущих исследований», — говорит Хили.
