Двумерный квантовый микроскоп построил карту магнитного поля и температуры ферромагнетика

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.

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.

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.