Il declino del Diamante: il prossimo materiale di punta nel mondo quantistico
Il diamante è da tempo il materiale preferito per la rilevazione quantistica, ma le sue dimensioni limitano le sue applicazioni. Recenti ricerche evidenziano il potenziale dell’hBN come sostituto, soprattutto dopo che i ricercatori del TMOS hanno sviluppato metodi per stabilizzare i suoi difetti atomici e studiare i suoi stati di carica, aprendo le porte alla sua integrazione in dispositivi dove il diamante non può adattarsi.
• Il diamante e i suoi limiti
• Il problema delle dimensioni
• Stabilizzazione degli stati di carica
Il diamante e i suoi limiti
Il diamante ha a lungo detenuto la corona nel regno della rilevazione quantistica, grazie ai suoi centri di vuoto di azoto coerenti, spin regolabile, sensibilità al campo magnetico e capacità di operare a temperatura ambiente. Con un materiale così adatto e facile da fabbricare e scalare, c’è stato poco interesse nell’esplorare alternative al diamante.
Il problema delle dimensioni
Tuttavia, questo titano del dominio quantistico ha una vulnerabilità. È semplicemente troppo grande. Proprio come un linebacker della NFL non è la scelta migliore per un fantino nel Kentucky Derby, il diamante non è all’altezza quando si tratta di sensori quantistici e elaborazione dei dati. Quando i diamanti diventano troppo piccoli, il difetto super-stabile per cui sono rinomati inizia a sgretolarsi. C’è un limite oltre il quale un diamante diventa inutile.
L’hBN è stato precedentemente trascurato come sensore quantistico e piattaforma per l’elaborazione delle informazioni quantistiche. Questo è cambiato di recente quando sono stati scoperti nuovi difetti che si stanno rivelando concorrenti convincenti ai centri di vuoto di azoto del diamante. Tra questi, il centro di vuoto del boro (un singolo atomo mancante nel reticolo cristallino dell’hBN) è emerso come il più promettente fino ad oggi.
Stabilizzazione degli stati di carica
Tuttavia, può esistere in vari stati di carica e solo lo stato di carica -1 è adatto per applicazioni basate sullo spin. Gli altri stati di carica sono stati, fino ad ora, difficili da rilevare e studiare. Questo era problematico poiché lo stato di carica può oscillare, passando tra gli stati -1 e 0, rendendolo instabile, soprattutto nei tipi di ambienti tipici per i dispositivi e i sensori quantistici.
Ma come delineato in un articolo pubblicato su Nano Letters, i ricercatori del TMOS, il Centro di Eccellenza ARC per i Sistemi Meta-ottici Trasformativi, hanno sviluppato un metodo per stabilizzare lo stato -1 e un nuovo approccio sperimentale per studiare gli stati di carica dei difetti nell’hBN utilizzando l’eccitazione ottica e l’irradiazione simultanea del fascio di elettroni.
L’autore principale Angus Gale afferma: “Questa ricerca mostra che l’hBN ha il potenziale per sostituire il diamante come materiale preferenziale per la rilevazione quantistica e l’elaborazione delle informazioni quantistiche perché possiamo stabilizzare i difetti atomici che sottendono queste applicazioni, ottenendo strati di hBN 2D che potrebbero essere integrati in dispositivi dove il diamante non può essere”.
L’autore principale Dominic Scognamiglio afferma: “Abbiamo caratterizzato questo materiale e scoperto proprietà uniche e molto interessanti, ma lo studio dell’hBN è ancora agli inizi. Non ci sono altre pubblicazioni sullo switching degli stati di carica, la manipolazione o la stabilità dei vuoti di boro, motivo per cui stiamo facendo il primo passo per colmare questa lacuna nella letteratura e comprendere meglio questo materiale”.
La rilevazione quantistica è un campo in rapida evoluzione. I sensori quantistici promettono una migliore sensibilità e risoluzione spaziale rispetto ai sensori convenzionali. Tra le sue molte applicazioni, una delle più critiche per l’Industria 4.0 e la miniaturizzazione ulteriore dei dispositivi è la rilevazione precisa della temperatura e dei campi elettrici e magnetici nei dispositivi microelettronici. Essere in grado di rilevare questi è fondamentale per controllarli. La gestione termica è attualmente uno dei fattori che limitano ulteriormente le prestazioni dei dispositivi miniaturizzati. La rilevazione quantistica precisa a livello nanometrico aiuterà a prevenire il surriscaldamento dei microchip e a migliorare le prestazioni e l’affidabilità.