Defeitos de rotação em nitreto de boro hexagonal criados por bombardeio de íons de hélio

21 de julho de 2023

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pela Universidade Nacional de Singapura

Físicos da Universidade Nacional de Cingapura (NUS) desenvolveram um método usando um feixe focado de íons de hélio para criar matrizes de defeitos em nitreto de boro hexagonal (hBN) que pode ser potencialmente usado para aplicações de detecção magnética.

O nitreto de boro hexagonal (hBN) é um material bidimensional (2D) composto por átomos de boro e nitrogênio dispostos em uma estrutura de rede hexagonal. Ele exibe propriedades únicas para aplicações em detecção quântica. Muitos tipos de defeitos foram descobertos no hBN e um deles, a vacância de boro com carga negativa (VB–), é de particular interesse, pois possui propriedades de spin que o tornam valioso para aplicações de detecção quântica.

Neste estudo, um feixe de íons de hélio de alta energia produzido nas instalações do acelerador do Centro de Aplicações de Feixes de Íons (CIBA) do Departamento de Física, NUS, foi usado para irradiar flocos de hBN para gerar centros ópticos VB-. A capacidade de focar o feixe de íons em pontos de tamanho nanométrico e de escanear espacialmente o feixe permite que matrizes padronizadas de emissores ópticos sejam fabricadas com alta precisão.

O trabalho é resultado de uma colaboração entre uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Associado Andrew Bettiol e a equipe liderada pelo Professor Associado Goki Eda, ambos do Departamento de Física da NUS. O centro de defeitos ópticos VB – que foi produzido através dos experimentos realizados pela equipe de pesquisa, apresenta algumas propriedades interessantes quando exposto à energia de microondas. Este estudo foi publicado na revista Advanced Optical Materials.

Uma técnica espectroscópica conhecida como Ressonância Magnética Opticamente Detectada (ODMR) foi usada para detectar pequenos campos magnéticos nos experimentos. Esta técnica combina os princípios da ressonância magnética e da espectroscopia óptica para estudar as propriedades dos materiais paramagnéticos e sua interação com a radiação eletromagnética.

Primeiro, um laser verde é usado para excitar o centro do defeito VB, de modo que ele emita luz em um comprimento de onda de cerca de 810 nm, que está na parte infravermelha próxima do espectro eletromagnético. Uma antena de cobre é então usada para gerar uma frequência de micro-ondas específica próxima à amostra hBN. Esta energia de micro-ondas inicializa o defeito em um estado de spin que resulta na redução da intensidade da luz emitida pelo defeito. A frequência de microondas é sintonizada até que uma queda na intensidade da luz seja detectada. Isso aconteceu em aproximadamente 3,48 GHz, onde foi observada uma dupla queda na intensidade da fotoluminescência. Assim que a frequência de ressonância de micro-ondas for encontrada, o sensor estará pronto para ser usado para detectar campos magnéticos.

O professor Bettiol disse: "Ao usar esta propriedade única exibida pelo hBN, um pequeno campo magnético que às vezes ocorre em sistemas biológicos ou em materiais magnéticos mudará a frequência de ressonância e isso fará com que a emissão de luz do sensor seja restaurada. A emissão de luz do centro de defeitos ópticos VB fornece um meio de detectar opticamente o campo magnético local."

O professor Eda acrescentou: "o hBN é um material versátil que pode ser facilmente integrado em dispositivos no chip. Nossa demonstração para criar defeitos de spin no hBN com alta precisão é um passo importante para a realização de sensores magnéticos no chip."

Mais Informações: Haidong Liang et al, High Sensitivity Spin Defects in hBN Criado por High-Energy He Beam Irradiation, Advanced Optical Materials (2022). DOI: 10.1002/adom.202201941