ヘリウムイオン衝撃によって生成された六方晶窒化ホウ素のスピン欠陥

2023 年 7 月 21 日

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シンガポール国立大学による

シンガポール国立大学 (NUS) の物理学者は、ヘリウムイオンの集束ビームを使用して六方晶系窒化ホウ素 (hBN) に欠陥のアレイを作成する方法を開発しました。この方法は、磁気センシング用途に使用できる可能性があります。

六方晶窒化ホウ素 (hBN) は、六方晶系の格子構造に配置されたホウ素原子と窒素原子で構成される二次元 (2D) 材料です。 量子センシングの用途に特有の特性を示します。 hBN には多くの種類の欠陥が発見されており、そのうちの 1 つである負に帯電したホウ素空孔 (VB-) は、量子センシング用途にとって価値のあるスピン特性を備えているため、特に興味深いものとなっています。

この研究では、NUS 物理学科のイオン ビーム応用センター (CIBA) の加速器施設で生成された高エネルギー ヘリウム イオン ビームを使用して、hBN フレークを照射し、VB 光学中心を生成しました。 イオンビームをナノサイズのスポットに集束させ、ビームを空間的に走査する能力により、パターン化された発光体のアレイを高精度で製造することが可能になる。

この研究は、NUS物理学科のアンドリュー・ベティオール准教授率いる研究チームと江田剛毅准教授率いる研究チームとの共同研究の成果である。 研究チームが実施した実験を通じて生成されたVB-光学的欠陥中心は、マイクロ波エネルギーにさらされるといくつかの興味深い特性を示します。 この研究は、Advanced Optical Materials 誌に掲載されました。

実験では微小な磁場を感知するために、光学検出磁気共鳴（ODMR）として知られる分光技術が使用されました。 この技術は、磁気共鳴と光分光法の原理を組み合わせて、常磁性材料の特性と電磁放射との相互作用を研究します。

まず、緑色レーザーを使用して VB 欠陥中心を励起し、電磁スペクトルの近赤外線部分にある約 810 nm の波長で光を放射します。 次に、銅アンテナを使用して、hBN サンプルの近くで特定のマイクロ波周波数を生成します。 このマイクロ波エネルギーは欠陥をスピン状態に初期化し、その結果、欠陥から放出される光の強度が減少します。 マイクロ波周波数は、光強度の低下が検出されるまで調整されます。 これは約 3.48 GHz で発生し、フォトルミネッセンス強度の二重底が観察されました。 マイクロ波共振周波数が見つかると、センサーを磁場の検出に使用できるようになります。

ベティオル教授は、「hBNが示すこのユニークな特性を利用することで、生物系や磁性材料で時々発生する微小な磁場が共鳴周波数をシフトさせ、これによりセンサーからの発光が回復するだろう」と述べた。 VB からの光学的欠陥中心は、局所的な磁場を光学的に検出する手段を提供します。」

江田教授は、「hBNは、オンチップデバイスに容易に組み込むことができる多用途の材料です。hBNに高精度でスピン欠陥を作成する実証は、オンチップ磁気センサーの実現に向けた重要な一歩です。」と付け加えた。

詳しくは： Haidong Liang 他、高エネルギー He ビーム照射によって作成された hBN の高感度スピン欠陥、先端光学材料 (2022)。 DOI: 10.1002/adom.202201941