I circuiti integrati stanno diventando sempre più complessi. Oggigiorno un processore Pentium contiene circa 30 milioni di transistor. E le strutture magnetiche presenti nei dischi rigidi misurano solo da 10 a 20 nanometri di diametro, meno di un virus dell'influenza con un diametro di 80-120 nanometri. Le dimensioni si stanno rapidamente avvicinando al regno della fisica quantistica e, già, i ricercatori del Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF di Friburgo si stanno applicando alle sfide della tecnologia quantistica di domani. Insieme ai colleghi del Max Planck Institute for Solid State Research, stanno sviluppando un sensore quantistico che sarà in grado di misurare con precisione i minuscoli campi magnetici che possiamo aspettarci di vedere nella prossima generazione di dischi rigidi. Il sensore stesso è solo leggermente più grande di un atomo di azoto, con un diamante sintetico per fungere da substrato.

Il diamante presenta una serie di vantaggi oltre alla sua notevole stabilità meccanica e chimica. Ad esempio, si possono impiantare atomi estranei come boro o fosforo, trasformando così i cristalli in semiconduttori. Il diamante è anche il materiale perfetto per i circuiti ottici. Ma forse il suo più grande attributo è la sua impressionante conduttività termica, con la forza dei legami dell'atomo di carbonio assicurando che il calore venga rapidamente dissipato.

Negli ultimi decenni, Fraunhofer IAF ha sviluppato sistemi ottimizzati per la produzione di diamanti. Il processo per la produzione di massa avviene in un reattore al plasma, e Friburgo possiede molti di questi dispositivi color argento. Il plasma viene acceso per generare temperature da 800 a 900 gradi Celsius in modo che, quando il gas viene immesso nella camera, sul substrato di forma quadrata possono formarsi strati di diamante. I cristalli di diamante hanno una lunghezza del bordo compresa tra tre e otto millimetri, e vengono quindi separati dal supporto e lucidati mediante laser.

Preparare il diamante a fungere da rivelatore magnetico

La produzione dell'innovativo sensore quantistico richiede un cristallo particolarmente puro, che ha ispirato ulteriori miglioramenti nel processo. Ad esempio, per coltivare strati di diamante purissimo, il metano che fornisce il carbonio per il diamante viene prefiltrato mediante un filtro allo zirconio. Oltre a ciò, il gas deve essere isotopicamente puro, poiché solo il 12C - un isotopo stabile dell'atomo di carbonio - ha spin nucleare nullo, che è un prerequisito per il sensore magnetico in seguito. L'idrogeno subisce anche un processo di purificazione, dopo di che il diamante monocristallo ultra puro deve essere preparato per il suo ruolo di rivelatore magnetico. Qui ci sono due opzioni:o inserisci un singolo atomo di azoto nella punta estremamente fine, oppure si aggiunge azoto nella fase finale del processo di produzione del diamante. Dopo di che, la punta di diamante viene levigata in plasma di ossigeno utilizzando un processo di incisione nella camera bianca dell'istituto. Il risultato finale è una punta di diamante estremamente fine che ricorda quella di un microscopio a forza atomica. La chiave dell'intero progetto è l'atomo di azoto aggiunto insieme a una vacanza vicina nella struttura cristallina.

Questo centro combinato azoto-vacanza funge da sensore vero e proprio, emettendo luce quando è esposto a laser e microonde. Se c'è un magnete nelle vicinanze, varierà nella sua emissione di luce. Gli esperti chiamano questa spettroscopia di risonanza di spin elettronico. Non solo questa tecnica è in grado di rilevare i campi magnetici con una precisione nanometrica, può anche determinare la loro forza, aprendo una gamma straordinaria di applicazioni. Ad esempio, le minuscole punte di diamante possono essere utilizzate per monitorare la qualità del disco rigido. Questi dispositivi di archiviazione dei dati sono fitti e ci sono sempre piccoli errori. Il sensore quantistico può identificare i segmenti di dati difettosi in modo che vengano esclusi dal processo di lettura e scrittura del disco. Questo riduce il tasso di difettosità, che è alle stelle mentre la miniaturizzazione continua a ritmo sostenuto, e abbatte i costi di produzione.

I sensori quantistici potrebbero misurare l'attività cerebrale

Il minuscolo sensore può essere potenzialmente applicato in un'ampia gamma di scenari, poiché ci sono campi magnetici deboli ovunque, anche nel cervello. "Ogni volta che gli elettroni si muovono, generano un campo magnetico, ", afferma l'esperto IAF Christoph Nebel. Quindi, quando pensiamo o sentiamo, i nostri cervelli stanno generando campi magnetici. I ricercatori desiderano localizzare questa attività cerebrale per determinare le aree del cervello responsabili di una determinata funzione o sensazione. Questo può essere fatto direttamente misurando le onde cerebrali usando elettrodi, ma i risultati sono molto imprecisi. Le misurazioni del campo magnetico offrono risultati di gran lunga migliori. Però, i sensori attualmente in uso presentano un notevole inconveniente in quanto devono essere raffreddati con azoto liquido. Basandosi sull'estrema conduttività termica del diamante, la nuova tecnologia può funzionare a temperatura ambiente senza la necessità di alcun raffreddamento. Per questa applicazione, invece di usare punte sottili, useresti minuscole piastrine che incorporano più centri di azoto vacanti. Ogni centro fornisce un punto nell'immagine e, insieme, un'immagine dettagliata.

Attualmente, però, Christoph Nebel e il suo team stanno concentrando la loro attenzione sulla ricerca e sull'ottimizzazione del diamante come materiale high-tech. Questa applicazione nella tecnologia dei sensori quantistici è un inizio promettente.