Un défaut de spin (qubit) créé artificiellement dans un réseau cristallin de nitrure de bore convient comme capteur permettant de mesurer différents changements dans son environnement local. Le qubit est une lacune de bore située dans une couche bidimensionnelle de nitrure de bore hexagonal et a un moment cinétique (spin).

Le défaut est très sensible à son environnement atomique, par exemple aux distances à d'autres atomes ou couches atomiques.

"Cela permet des mesures locales de champs magnétiques, température et même pression, " dit le professeur Vladimir Dyakonov, directeur de la chaire de physique expérimentale VI à Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg en Bavière, Allemagne. Les mesures sont effectuées entièrement optiquement à l'aide d'un laser - par conséquent, le capteur ne nécessite aucun contact électrique.

"Modulation de micro-ondes de différentes fréquences allumées et éteintes, le défaut de spin peut être manipulé pour dériver différentes influences externes telles que la température, pression et champ magnétique, " explique Andreas Gottscholl. Le doctorant en physique à JMU est le premier auteur de la publication dans la revue Communication Nature , qui présente le nouveau capteur.

Caractéristiques du nouveau capteur

Des capteurs atomiques basés sur les défauts de spin existent déjà :ils sont en diamant ou en carbure de silicium et sont adaptés aux mesures locales de température et de champ magnétique. "Notre capteur de nitrure de bore fournit une réponse supplémentaire aux changements de pression externes et dépasse la sensibilité des systèmes précédents, surtout à basse température, " explique Gottscholl.

« Une autre nouvelle caractéristique de notre défaut de spin est sa localisation dans un réseau cristallin bidimensionnel. Par rapport aux systèmes tridimensionnels établis à base de diamant ou de carbure de silicium, il offre des possibilités d'application complètement nouvelles, " ajoute le physicien de Würzburg.

Exemple :Le nitrure de bore est actuellement considéré comme le matériau standard pour l'encapsulation de nouveaux dispositifs 2D tels que les transistors de taille nanométrique. "Avec notre travail, nous avons démontré que nous pouvions intégrer artificiellement des capteurs atomiques dans le matériau largement utilisé, le nitrure de bore. Cela devrait permettre de mesurer directement des influences telles que la température, la pression et le champ magnétique sur les appareils étudiés."

Prochaines étapes de recherche

Jusque là, les chercheurs ont démontré la fonctionnalité du capteur sur un grand ensemble de plusieurs millions de défauts de spin. Prochain, ils veulent montrer la détection avec des défauts de spin uniques. Si cela réussit, une application à l'échelle nanométrique serait envisageable.

"L'idée d'utiliser du nitrure de bore d'une seule couche atomique est particulièrement intéressante, ainsi le capteur est positionné directement sur la surface du système étudié, " explique le professeur Dyakonov. Cela permettrait une interaction directe avec l'environnement immédiat.

Domaine d'application du capteur

Applications dans la recherche de matériaux, le développement de dispositifs ou la biologie pourraient être intéressants afin d'acquérir de nouvelles connaissances dans ces domaines. En plus d'autres implémentations scientifiques possibles, il est également envisageable à terme d'utiliser le défaut de spin comme capteur commercial – cela pourrait révolutionner les techniques d'imagerie médicale, car le capteur pourrait cartographier les températures locales en fonction des contrastes d'une image, par exemple.