Duidelijke visie in een nieuwe wereld – Onderzoekers maken prototype van een nieuwe generatie kwantummicroscopie – ScienceDaily

Naarmate kwantumtechnologieën voortschrijden, worden nieuwe microscopiemethoden mogelijk – methoden die elektrische stromen kunnen zien, fluctuerende magnetische velden kunnen detecteren en zelfs afzonderlijke moleculen op een oppervlak kunnen zien.

Een prototype van zo’n microscoop, die een hoge resolutiegevoeligheid vertoont, werd ontwikkeld door een Australisch onderzoeksteam onder leiding van professor Igor Aharonovich van de University of Technology Sydney en dr. Jean-Philippe Titiaan van de RMIT University. De resultaten van het team zijn nu gepubliceerd in Natuurfysica.

Kwantummicroscopie is gebaseerd op atomaire onzuiverheden, die na laserbelichting licht uitstralen dat direct gerelateerd kan worden aan interessante fysische grootheden zoals een magnetisch veld, elektrisch veld of chemische omgeving in de buurt van het defect.

De vindingrijkheid van de nieuwe aanpak, zei professor Aharonovich, is dat, in tegenstelling tot de massieve kristallen die vaak worden gebruikt voor kwantumdetectie, het onderzoeksteam atomair dunne lagen gebruikte, hexagonaal boornitride (hBN) genaamd.

“Het van der Waals-materiaal – dat bestaat uit sterk onderling verbonden 2D-lagen – kan zeer dun worden gefabriceerd en zich aanpassen aan willekeurig ruwe oppervlakken, waardoor gevoeligheid met hoge resolutie mogelijk is”, zei professor Aharonovitsj.

“Deze eigenschappen brachten ons op het idee om ‘kwantumactieve’ hBN-chips te gebruiken om kwantummicroscopie uit te voeren, wat in wezen een beeldvormingstechnologie is die arrays van kwantumsensoren gebruikt om ruimtelijke kaarten te maken van de hoeveelheden waarvoor ze gevoelig zijn,” zei dr. .

“Tot op heden is kwantummicroscopie beperkt in ruimtelijke resolutie en toepassingsflexibiliteit vanwege de interactieproblemen die inherent zijn aan het gebruik van een omvangrijke 3D-sensor. In plaats daarvan hopen we door het gebruik van de Van der Waals-sensor het nut van kwantum uit te breiden microscopie naar voorheen ontoegankelijke arena’s naar het verleden.”

Om de mogelijkheden van het prototype te testen, voerde het team kwantumdetectie uit op een technologisch relevant magnetisch materiaal – een plakje CrTe2, een Van der Waals-magneet met een kritische temperatuur net boven kamertemperatuur.

De op hBN gebaseerde kwantummicroscopie was in staat om de magnetische velden van ferromagneten in beeld te brengen, met de nabijheid van de sensor op nanoschaal, en onder omgevingsomstandigheden – iets dat tot nu toe onmogelijk werd geacht.

Bovendien werd met behulp van de unieke eigenschappen van hBN-defecten een gelijktijdige temperatuurkaart opgenomen, wat bevestigt dat de microscopie kan worden gebruikt om correlatieve beeldvorming tussen de twee grootheden uit te voeren.

belangrijkste auteurs van Natuurfysica De onderzoekspaper, promovendi Alex Healy (Universiteit van Melbourne) en Sam Schulten (Universiteit van Melbourne), en beginnend onderzoeker Tishan Yang (UTS), zeiden dat de van der Waals-aard van de sensor dubbele detectie van magnetische eigenschappen en temperatuur.

“Omdat het zo dun is, kan er niet veel warmte doorheen worden afgevoerd en is elke aanwezige temperatuurverdeling hetzelfde alsof de sensor niet aanwezig zou zijn”, zeiden ze. “Wat begon als een experimenteel ongemak, werd uiteindelijk een hint naar het unieke vermogen van onze microscoop tussen de huidige alternatieven.”

“Er is een enorm potentieel voor deze nieuwe generatie kwantummicroscopie”, zegt Dr. Mehran Kayaninya, senior onderzoeker aan de UTS University. “Het kan niet alleen bij kamertemperatuur werken en tegelijkertijd informatie verstrekken over temperatuur en elektrische en magnetische velden, het kan naadloos worden geïntegreerd in nano-apparaten en bestand zijn tegen extreem zware omgevingen, omdat hBN een zeer taai materiaal is.

“Belangrijke toekomstige toepassingen zijn onder meer MRI met hoge resolutie (magnetic resonance imaging) en NMR (nuclear magnetic resonance imaging) die kunnen worden gebruikt om chemische reacties te bestuderen en de moleculaire oorsprong te identificeren, evenals toepassingen in de lucht- en ruimtevaart, defensie en landbouw waar teledetectie en beeldvorming zijn de sleutel.”