六方晶系窒化ホウ素が量子センシング材料としてダイヤモンドに代わる可能性があることを研究が示す

2023 年 6 月 27 日

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ARC Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems による

ダイヤモンドは、そのコヒーレントな窒素空孔中心、制御可能なスピン、磁場に対する感度、および室温で使用できる能力により、長い間、量子センシングの頼りになる材料でした。 このように適切な材料は製造や拡大が容易であるため、ダイヤモンドの代替品の探索にはほとんど関心がありませんでした。

しかし、この量子世界のヤギにはアキレス腱が 1 つあります。それは大きすぎます。 NFL のラインバッカーがケンタッキーダービーで騎乗するのに最適なスポーツ選手ではないのと同じように、量子センサーや情報処理を研究する場合、ダイヤモンドは理想的な素材ではありません。 ダイヤモンドが小さくなりすぎると、その有名な超安定した欠陥が崩れ始めます。 ダイヤモンドには使い物にならない限界があります。

hBN は、量子センサーおよび量子情報処理のプラットフォームとしてこれまで無視されてきました。 最近、ダイヤモンドの窒素空孔中心に対する強力な競合相手となりつつある多くの新たな欠陥が発見されたことで、この状況は変わりました。

これらのうち、ホウ素空孔中心（hBN 結晶格子内の単一の欠落原子）が、これまでで最も有望なものとして浮上しています。 ただし、さまざまな電荷状態で存在する可能性があり、スピンベースのアプリケーションに適しているのは -1 電荷状態のみです。 他の電荷状態は、これまでのところ、検出して研究することが困難でした。 これは、充電状態がちらつき、-1 と 0 の状態の間で切り替わり、特に量子デバイスやセンサーに一般的な種類の環境では不安定になる可能性があるため、問題がありました。

しかし、Nano Letters に掲載された論文で概説されているように、ARC 変換メタ光学システム研究センターである TMOS の研究者たちは、-1 状態を安定化する方法と、欠陥の荷電状態を研究するための新しい実験的アプローチを開発しました。 hBN は光励起と同時電子ビーム照射を使用します。

共同主著者のアンガス・ゲイル氏は、「この研究は、hBNが量子センシングと量子情報処理の優先材料としてダイヤモンドに代わる可能性を秘めていることを示している。なぜなら、これらの応用を支える原子欠陥を安定化できるため、結果として2D hBN層が得られるからである」と述べている。ダイヤモンドが不可能なデバイスに統合されます。」

共同主著者の Dominic Sc​​ognamiglio 氏は、「私たちはこの材料を特徴づけ、ユニークで非常に優れた特性を発見しましたが、hBN の研究は初期段階にあります。荷電状態の切り替え、ホウ素空孔の操作、または安定性に関する出版物は他にありません」と述べています。だからこそ、私たちはこの文献のギャップを埋め、この資料をより深く理解するための第一歩を踏み出しているのです。」

主任研究員のミロス・トス氏は、「この研究の次の段階では、センシングや集積量子フォトニクスへの応用向けにhBNの欠陥を最適化できるポンプ・プローブ測定に焦点を当てることになる」と述べている。

量子センシングは急速に進歩している分野です。 量子センサーは、従来のセンサーよりも優れた感度と空間分解能を約束します。 その多くの用途の中で、インダストリー 4.0 およびデバイスのさらなる小型化にとって最も重要なものの 1 つは、マイクロ電子デバイスにおける電界および磁界だけでなく温度の正確な検知です。 これらを感知できることが、それらを制御する鍵となります。

熱管理は現在、小型デバイスのさらなるパフォーマンスを制限する要因の 1 つです。 ナノスケールでの正確な量子センシングは、マイクロチップの過熱を防ぎ、パフォーマンスと信頼性を向上させるのに役立ちます。