حسگر‌های کوانتومی ابزار‌های فوق‌العاده دقیقی هستند که قادرند تغییرات بسیار کوچک در میدان‌های الکتریکی، مغناطیسی یا حرارتی را در مقیاس نانو تشخیص دهند. آنها نقش کلیدی در کشف پدیده‌های فیزیکی جدید و طراحی مواد هوشمند آینده دارند.

در این پروژه، محققان از عیوب اسپینی در لایه‌های نازک hBN استفاده کردند، عیوبی که به عنوان نقاط کوانتومی عمل کرده و می‌توانند در تشخیص میدان مغناطیسی بسیار دقیق عمل کنند.

چرا hBN؟

به گزارش scitechdaily، تا قبل از این، بیشتر حسگر‌های کوانتومی مغناطیسی از نقطه‌های خالی نیتروژن-واکنسی (NV) در بلور الماس استفاده می‌کردند. این حسگر‌ها البته دارای محدودیت‌هایی مثل تشخیص تک‌محوری میدان مغناطیسی و دامنه محدود در اندازه‌گیری بودند.

حسگر‌های جدید مبتنی بر hBN دارای این ویژگی‌ها هستند: قابلیت تشخیص چندجهته میدان مغناطیسی، دامنه اندازه‌گیری گسترده‌تری، عملکرد بهتر در محیط اتاق

سازگاری بالا با فناوری‌های نانویی را فراهم می‌کنند.

علاوه بر این، hBN یک ماده دو بعدی است که می‌توان آن را تا ضخامت چند لایه اتمی لبشور کرد، بنابراین این حسگر‌ها می‌توانند بسیار نزدیک‌تر به نمونه‌های مورد مطالعه قرار گیرند و نقشه‌برداری مغناطیسی با دقت اتمی را ممکن کنند.

چگونه این حسگر کار می‌کند؟

محققان از تکنیکی به نام رنزونانس مغناطیسی کوانتومی دیده‌شده با نور (ODMR) استفاده کردند. این روش شامل بررسی نحوه پاسخ‌گویی اسپین عیوب داخل hBN به تغییرات میدان مغناطیسی است. با تجزیه و تحلیل دقیق نوری که این عیوب جذب یا انتشار می‌دهند، محققان موفق شدند:

مکانیزم‌های اساسی عملکرد این حسگر را درک کنند.

تعادل بین خواص نوری و متقارنی عیوب را کشف کنند.

ثابت کنند که این سیستم می‌تواند به عنوان یک حسگر مغناطیسی قوی و چندمنظوره عمل کند.

کاربرد‌های آینده‌ این فناوری

این دستاورد می‌تواند انقلابی در زمینه‌های مختلف باشد که شامل این موارد است: تصویربرداری مغناطیسی از مواد نوین، مطالعه دقیق جریان‌های الکتریکی در مدار‌های نانویی، کشف پدیده‌های فیزیکی جدید در مواد دو بعدی.

همانطور که دکتر سیمون ایزاگیره بارکر، نویسنده دوم این مقاله گفت: «ما اثبات کردیم که hBN می‌تواند ODMR را در شرایطی جدید به کار ببرد. این یعنی می‌توانیم پدیده‌های مغناطیسی را به روش‌هایی که پیش‌تر غیرممکن بودند، مشاهده کنیم.»

همچنین پروفسور هانا استرن، یکی از مجریان اصلی پروژه، افزود: «با استفاده از یک ماده دو بعدی به عنوان سنسور، ما می‌توانیم به دقت‌های اتمی در نقشه‌برداری مغناطیسی دست پیدا کنیم. این فقط یک پیشرفت فنی نیست، بلکه دروازه‌ای به سوی دنیایی جدید از کاربرد‌های کوانتومی است.»