Ясное видение в новом мире: исследователи создали прототип квантовой микроскопии нового поколения

По мере развития квантовых технологий становятся возможными новые методы микроскопии — те, которые могут видеть электрические токи, обнаруживать флуктуации магнитных полей и даже видеть отдельные молекулы на поверхности.

Прототип такого микроскопа, демонстрирующий чувствительность высокого разрешения, был разработан группой австралийских исследователей под руководством профессора Игоря Аароновича из Технологического университета Сиднея и доктора Жана-Филиппа Тициана из Университета RMIT. Результаты команды опубликованы в Физика природы.

Квантовая микроскопия основана на атомарных примесях, которые после лазерного облучения излучают свет, который может быть напрямую связан с интересными физическими величинами, такими как магнитное поле, электрическое поле или химическая среда вблизи дефекта.

Гениальность нового подхода, по словам профессора Аароновича, заключается в том, что, в отличие от массивных кристаллов, часто используемых для квантовых измерений, исследовательская группа использовала атомарно тонкие слои, называемые гексагональным нитридом бора (hBN).

«Материал Ван-дер-Ваальса, состоящий из сильно взаимосвязанных 2D-слоев, может быть изготовлен очень тонким и соответствовать произвольно шероховатой поверхности, обеспечивая чувствительность с высоким разрешением», — сказал профессор Ааронович.

«Эти свойства привели нас к идее использования «квантово-активных» чипов hBN для выполнения квантовой микроскопии, которая, по сути, представляет собой технологию обработки изображений, использующую массивы квантовых датчиков для создания пространственных карт величин, к которым они чувствительны», — сказал он. Др. .

«На сегодняшний день квантовая микроскопия имеет ограниченное пространственное разрешение и гибкость применения из-за проблем взаимодействия, присущих использованию громоздкого 3D-сенсора. Вместо этого, благодаря использованию сенсора Ван-дер-Ваальса, мы надеемся расширить полезность квантовой микроскопии. микроскопии в ранее недоступные области, в прошлое».

Чтобы проверить возможности прототипа, команда провела квантовое зондирование технологически значимого магнитного материала — кусочка CrTe2, магнита Ван-дер-Ваальса с критической температурой чуть выше комнатной.

Квантовая микроскопия на основе hBN смогла отображать магнитные поля ферромагнетиков с наноразмерной близостью к датчику и в условиях окружающей среды, что до сих пор считалось невозможным.

Кроме того, используя уникальные свойства дефектов hBN, была записана одновременная температурная карта, подтверждающая, что микроскопию можно использовать для получения корреляционных изображений между двумя величинами.

Основные авторы Физика природы В исследовательской работе аспирантов Алекса Хили (Мельбурнский университет) и Сэма Шультена (Мельбурнский университет) и начинающего исследователя Тишана Янга (UTS) говорится, что ван-дер-ваальсова природа датчика позволяет проводить двойное измерение магнитных свойств и температура.

«Поскольку он такой тонкий, через него не может рассеиваться много тепла, а любое распределение температуры такое, как если бы датчика не было», — сказали они. «То, что начиналось как экспериментальное неудобство, в конечном итоге стало намеком на уникальные возможности нашего микроскопа среди существующих альтернатив».

«Существует огромный потенциал для квантовой микроскопии нового поколения», — сказал доктор Мехран Каянинья, старший научный сотрудник Университета UTS. «Он не только может работать при комнатной температуре и предоставлять одновременную информацию о температуре, электрических и магнитных полях, его можно легко интегрировать в наноустройства и выдерживать чрезвычайно суровые условия, поскольку hBN — очень прочный материал.

«Ключевые будущие приложения включают МРТ высокого разрешения (магнитно-резонансная томография) и ЯМР (ядерная магнитно-резонансная томография), которые можно использовать для изучения химических реакций и определения молекулярного происхождения, а также приложения в аэрокосмической, оборонной и сельскохозяйственной областях, где дистанционное зондирование и визуализация являются ключевыми».