На иллюстрации: Карта плотности потсоянного тока, протекающего через графеновыую полоску. A. J. Healey et el. / Nature Physics, 2022. Физики впервые создали двумерный квантовый микроскоп, с помощью которого построили профили магнитного поля и температуры ферромагнетика и плотности тока, протекающего через графен. В качестве датчика ученые использовали двумерный нитрид бора, а значения физических величин определяли по относительному изменению интенсивности флуоресценции на его дефектах. Двумерный микроскоп показал высокую чувствительность и потенциально будет иметь большее пространственное разрешение, чем у трехмерных аналогов, пишут ученые в Nature Physics. Квантовая микроскопия изучает объекты с помощью квантовомеханических эффектов. Один из ее методов основан на так называемых спиновых дефектах.
Сенсоры, имеющие спиновые дефекты, чувствуют небольшие изменения магнитного поля в местоположении дефекта, что помогает ученым строить карты магнитного поля и температуры образцов. Такие квантовые датчики используют для визуализации нейронной активности мозга, изучения сложных молекул и разведки полезных ископаемых. Самый популярный сенсор — NV-центры — точечные дефекты алмаза, возникающие, когда один из атомов углерода замещен азотом, а соседний атом удален — на его месте образуется вакансия. Такая двухчастичная система азота-вакансии имеет два свободных электрона и соответственно ее спин может принимать значение −1, 0, 1. В отсутствие магнитного поля состоянии со спином 1, −1 имеют одинаковую энергию, а при наложении магнитного поля расщепляются. Согласно эффекту Зеемана — чем больше величина внешнего поля, тем сильнее расщепление, и именно по разнице энергий состояний со спином 1 и −1, можно узнать величину магнитного поля.
Тот факт, что NV-центры расположены внутри алмаза затрудняет их взаимодействие с образцами. Например, дефекты вблизи поверхности алмаза уменьшают пространственное разрешение и чувствительность, которые напрямую зависят от расстояния между сенсором и образцом. В качестве альтернативы можно использовать двумерные материалы с такими же свойствами, как у NV-центров, при этом они помогут получить более качественное изображение образца, а также их легко интегрировать в сложные устройства.
Ученые из Мельбурнского университета и Технологического университета Сиднея под руководством Игоря Аарановича (Igor Aharonovich) и Жан-Филиппа Тетьена (Jean-Philippe Tetienne) впервые создали двумерный квантовый микроскоп со спиновым дефектом. В качестве датчика они использовали гексагональный нитрид бора с вакансиями. Физики построили магнитную и тепловую карту образцов ферромагнетика и измерили плотность постоянного тока, протекающего через графен.
Структура нитрида бора схожа с графеном и представляет собой несколько гексагональных слоев, которые связаны между собой силами ван-дер-Ваальса. Внутри слоя чередуются атомы бора и азота, каждый из них связан с тремя атомами другого типа. Материал оказывается стабильным на воздухе и может использоваться в качестве квантового датчика вплоть до 900 градусов Цельсия. Если из структуры удалить один из атомов бора, полученная вакансия будет иметь такие же свойства, как и NV-центр в алмазе. Магнитное поле детектируется в точке расположения вакансии. На всей структуре ученые создали множество таких вакансий — пикселей — для построения магнитной карты образца. Толщина нитрида бора в эксперименте составляла от 10 до 100 нанометров, длина и ширина — 0,1 миллиметра. Датчик помещали сверху на образец.
На крайнем левом рисунке (а) изображена схема установки. Зеленый лазер светит на слой нитрида бора, под которым расположен образец. Нитрид бора фотолюминесцирует красным светом. Кольцо вокруг — микроволновая антенна, которая создает микроволновое магнитное поле для расщепления уровней нитрида бора со спином -1 и 1. В круге (b) изображена структура нитрида бора со спиновым дефектом, синие атомы — азот, оранжевые — бор. Правый рисунок показывает схему расщепления энергетических уровней со спином -1 и 1. При частоте внешнего магнитного поля f- система переходит в состояние со спином -1, при частоте f+ — в состояние со спином 1. Эти частоты соответствуют провалам в интенсивности фотолюминесценции на нижнем графике. A. J. Healey / NaturePhysics, 2022
Внешнее магнитное поле ученые регистрировали по изменению интенсивности фотолюминесценции вакансии бора. Под действием лазера вакансия переходила в возбужденное состояние с сохранением спина. В основное состояние она возвращалась, либо излучив фотон в оптическом диапазоне, либо через промежуточные синглетные состояния, излучив фотон в инфракрасном диапазоне. Первый путь предпочтителен, когда система имела спин 0, второй — когда −1 или 1. Во втором случае интенсивность фотолюминесценции падала. Два провала интенсивности соответствовали резонансным частотам, при которых система предпочитала находиться в основном состоянии со спином 1 и −1. Эти две частоты находились в микроволновом диапазоне, а их разность пропорциональна величине внешнего магнитного поля. Для возбуждения этих частот ученые прикладывали к датчику микроволновое магнитное поле.
В первой части работы физики построили карту магнитной индукции ферромагнетика дителлурида хрома (CrTe2). Свет лазера проходил через бор нитрид и отражался от образца. Магнитное поле дителлурида равнялось разнице магнитного поля нитрида бора без образца и с образцом. Подбирая резонансные частоты для каждого участка с вакансией — пикселя, ученые получили карту магнитного поля дителлурида хрома. Значения магнитной индукции дителлурида соответствовали спонтанной намагниченности, а при изменении направления поля наблюдалась изменение направлений намагниченности на каждом участке — на противоположные первоначальному, как и ожидалось теоретически. Такая качественная проверка показала эффективность датчика.
Затем физики построили карту температур. Температура нитрида бора, как и магнитное поле, пропорциональна разнице резонансных частот состояний системы со спином −1 и 1. Лазер нагревал дителлурид, который находился в тепловом равновесии с нитридом. Профиль температуры совпал с профилем лазерного пятна. При длительном нагреве вблизи комнатных температур дителлурид должен размагничиваться, что и наблюдали ученые в эксперименте. Стоит отметить, что температурный анализ с помощью NV-центров проблематичен, поскольку тепло рассеивается по объему алмаза.
На крайнем левом рисунке (с) показана тепловая карта графеновой полоски, ее границы обозначены черной пунктирной линией. На соседнем рисунке (d) — карта магнитной индукции графена, заметна разность индукции по краям трубки. На двух правых рисунках изображена тепловая и магнитная карты дителлурида хрома. Светлое пятно на рисунке (e) соответствует форме лазерного луча, который светит на образец. A. J. Healey et al. / NaturePhysics, 2022
В последней части работы физики измерили плотность постоянного тока, пропущенного через полоску графен. Полоска четко выделялась на карте магнитной индукции и плотности тока, а температурная картина подтвердила высокую теплопроводность графена.
Двумерный квантовый отличается доступностью и простотой производства. Авторы работы планируют увеличить его пространственное и временное разрешение в 100 и 10 раз соответственно за счет модификаций. Уменьшение толщины гетероструктуры до нескольких слоев позволит рассмотреть спиновые флуктуации отдельных атомов, исследовать сверхпроводимость в муаровом графене и построить профили ионных каналов и белков.
Пока двумерные материалы со спиновыми дефектами становятся только квантовыми микроскопами, NV-центры уже стали основой для квантового теплового двигателя, помогли преодолеть дифракционный предел и прозондировали муаровые структуры.
Автор: Илья Бения
Источник: https://nplus1.ru/
