Учёные из Кембриджского университета совершили прорыв в области квантовых сенсоров, продемонстрировав использование спиновых дефектов в гексагональном боронитриде (hBN) в качестве мощных сенсоров, способных обнаруживать векторные магнитные поля в условиях комнатной температуры на наноуровне. Опубликованные в журнале Nature Communications результаты знаменуют собой важный шаг к созданию более практичных и универсальных квантовых технологий.

«Квантовые сенсоры позволяют выявлять мельчайшие вариации различных физических величин. В магнитометрии такие сенсоры позволяют визуализировать токи и магнетизацию в материалах на наноуровне, что способствует открытию новых физических явлений и функциональных свойств», — отметил доктор Кармем Гилардони, со-автор исследования из Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. «Этот проект выводит возможности квантовых сенсоров на новый уровень, используя hBN — материал, который не только подходит для наномасштабных приложений, но и предоставляет новые возможности по сравнению с существующими технологиями».

На сегодняшний день для магнитометрии на наноуровне при комнатных условиях используют дефект NV-центров в алмазе. Несмотря на их мощь, эти сенсоры имеют ограничения, связанные с их фундаментальной фотонической природой. В частности, NV-центры являются односторонними сенсорами с ограниченной динамической дальностью для обнаружения магнитных полей. В отличие от них, разработка сенсора на базе hBN, выполненная командой в Кембридже, лишена этих ограничений и обладает возможностью многовекторного обнаружения магнитных полей с большим диапазоном.

Работа исследовательской группы продемонстрировала потенциал этого нового сенсора и предоставила механизмное понимание факторов, определяющих его преимущества. В частности, учёные выяснили, что низкая симметрия дефектов и случайные показатели их возбуждённого состояния отвечают за широкий динамический диапазон и возможность определения направления магнитного поля.

hBN — двуматериал, аналогичный графену, который можно легко очищать до нескольких атомных слоёв. Атомные дефекты внутри кристаллической решётки этого материала поглощают и испускают видимый свет, чувствительный к локальным магнитным условиям, что делает его идеальной платформой для квантового сенсоринга.

В рамках исследования команда использовала метод оптически обнаруженной магнитной резонансной спектроскопии (ODMR) для анализа реакции дефектов hBN на изменение магнитных полей. Детальный анализ динамики фотонного излучения позволил выявить оптические скорости системы и их связь с симметрией дефекта, что в совокупности обеспечивает стабильность и универсальность магнитного сенсора.

«ODMR — не новая техника, — отметил доктор Симоне Эйзагирре Баркер, со-автор статьи. — Но наша работа показывает, что сенсоры на базе hBN позволяют применять этот метод в совершенно новых ситуациях. Это открывает перспективы для визуализации магнитных явлений и наноматериалов на ранее недоступных масштабах».

По словам профессора Ханны Стерн, которая руководила исследованием вместе с профессором Мете Атахурэ, благодаря двумерной природе материала возможно достигнуть атомарного уровня пространственного разрешения. «Это позволит создавать карты магнитных полей с невероятной точностью, что ранее было недостижимо», — подчеркнула она.