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.