Estudo mostra que o nitreto de boro hexagonal tem potencial para substituir o diamante como material de detecção quântica

27 de junho de 2023

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pelo Centro de Excelência ARC para Sistemas Meta-Ópticos Transformativos

O diamante tem sido o material preferido para detecção quântica devido aos seus centros coerentes de vacância de nitrogênio, rotação controlável, sensibilidade a campos magnéticos e capacidade de ser usado em temperatura ambiente. Com um material tão adequado e fácil de fabricar e dimensionar, tem havido pouco interesse em explorar alternativas ao diamante.

Mas esta CABRA do mundo quântico tem um calcanhar de Aquiles – é grande demais. Assim como um linebacker da NFL não é o melhor esportista para competir no Kentucky Derby, o diamante não é um material ideal para explorar sensores quânticos e processamento de informações. Quando os diamantes ficam muito pequenos, o defeito superestável pelo qual são conhecidos começa a desmoronar. Existe um limite no qual o diamante se torna inútil.

O hBN foi anteriormente esquecido como um sensor quântico e uma plataforma para processamento de informações quânticas. Isto mudou recentemente quando foram descobertos vários novos defeitos que se estão a tornar concorrentes atraentes dos centros de vagas de azoto do diamante.

Destes, o centro de vacância do boro (um único átomo ausente na rede cristalina do hBN) emergiu como o mais promissor até o momento. Pode, no entanto, existir em vários estados de carga e apenas o estado de carga -1 é adequado para aplicações baseadas em spin. Os outros estados de carga têm sido, até agora, difíceis de detectar e estudar. Isso foi problemático porque o estado de carga pode oscilar, alternando entre os estados –1 e 0, tornando-o instável, especialmente nos tipos de ambientes típicos de dispositivos e sensores quânticos.

Mas, conforme descrito em um artigo publicado na Nano Letters, pesquisadores do TMOS, o Centro de Excelência para Sistemas Meta-Ópticos Transformativos da ARC, desenvolveram um método para estabilizar o estado –1 e uma nova abordagem experimental para estudar os estados de carga de defeitos em hBNusando excitação óptica e irradiação simultânea por feixe de elétrons.

O co-autor Angus Gale diz: "Esta pesquisa mostra que o hBN tem o potencial de substituir o diamante como material preferencial para detecção quântica e processamento de informações quânticas porque podemos estabilizar os defeitos atômicos que sustentam essas aplicações, resultando em camadas 2D de hBN que poderiam ser integrado em dispositivos onde o diamante não pode estar."

O co-autor principal, Dominic Scognamiglio, diz: "Caracterizamos este material e descobrimos propriedades únicas e muito interessantes, mas o estudo do hBN está em seus primeiros dias. Não há outras publicações sobre mudança de estado de carga, manipulação ou estabilidade de vacâncias de boro , e é por isso que estamos dando o primeiro passo para preencher essa lacuna na literatura e compreender melhor esse material."

O investigador-chefe Milos Toth diz: "A próxima fase desta pesquisa se concentrará em medições de sonda de bomba que nos permitirão otimizar defeitos em hBN para aplicações em detecção e fotônica quântica integrada."

A detecção quântica é um campo que avança rapidamente. Os sensores quânticos prometem melhor sensibilidade e resolução espacial do que os sensores convencionais. De suas muitas aplicações, uma das mais críticas para a Indústria 4.0 e para a miniaturização adicional de dispositivos é a detecção precisa de temperatura, bem como de campos elétricos e magnéticos em dispositivos microeletrônicos. Ser capaz de senti-los é a chave para controlá-los.

O gerenciamento térmico é atualmente um dos fatores que limitam o desempenho de dispositivos miniaturizados. A detecção quântica precisa em nanoescala ajudará a evitar o superaquecimento dos microchips e a melhorar o desempenho e a confiabilidade.