Rappresentazione artistica di un sensore quantistico a diamante. Il "riflettore" rappresenta la luce che passa attraverso il difetto del diamante e rileva il movimento degli elettroni. Gli elettroni sono mostrati come sfere rosse, trascinati da fili rossi che rivelano il loro percorso attraverso il grafene (un singolo strato di atomi di carbonio). Credito:David A. Broadway/cqc2t.org
I ricercatori dell'Università di Melbourne sono i primi al mondo a immaginare come si muovono gli elettroni nel grafene bidimensionale, una spinta allo sviluppo dell'elettronica di nuova generazione.
Capace di visualizzare il comportamento degli elettroni in movimento in strutture di un solo atomo di spessore, la nuova tecnica supera i limiti significativi con i metodi esistenti per la comprensione delle correnti elettriche nei dispositivi basati su materiali ultrasottili.
"Dispositivi elettronici di nuova generazione basati su materiali ultrasottili, compresi i computer quantistici, sarà particolarmente vulnerabile a contenere piccole crepe e difetti che interrompono il flusso di corrente, " ha detto il professor Lloyd Hollenberg, Vicedirettore del Center for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) e Thomas Baker Chair presso l'Università di Melbourne.
Un team guidato da Hollenberg ha utilizzato una speciale sonda quantistica basata su un "centro di colore" di dimensioni atomiche che si trova solo nei diamanti per visualizzare il flusso di correnti elettriche nel grafene. La tecnica potrebbe essere utilizzata per comprendere il comportamento degli elettroni in una varietà di nuove tecnologie.
"La capacità di vedere come le correnti elettriche sono influenzate da queste imperfezioni consentirà ai ricercatori di migliorare l'affidabilità e le prestazioni delle tecnologie esistenti ed emergenti. Siamo molto entusiasti di questo risultato, che ci consente di rivelare il comportamento microscopico della corrente nei dispositivi di calcolo quantistico, grafene e altri materiali 2D, " Egli ha detto.
"I ricercatori del CQC2T hanno compiuto grandi progressi nella fabbricazione su scala atomica di nanoelettronica in silicio per computer quantistici. Come i fogli di grafene, queste strutture nanoelettroniche sono essenzialmente spesse un atomo. Il successo della nostra nuova tecnica di rilevamento significa che abbiamo il potenziale per osservare come gli elettroni si muovono in tali strutture e aiutare la nostra futura comprensione di come funzioneranno i computer quantistici".
Oltre a comprendere la nanoelettronica che controlla i computer quantistici, la tecnica potrebbe essere utilizzata con materiali 2D per sviluppare elettronica di prossima generazione, accumulo di energia (batterie), display flessibili e sensori biochimici.
"La nostra tecnica è potente ma relativamente semplice da implementare, il che significa che potrebbe essere adottato da ricercatori e ingegneri di un'ampia gamma di discipline, ", ha affermato l'autore principale, il dott. Jean-Philippe Tetienne del CQC2T dell'Università di Melbourne.
"Usare il campo magnetico degli elettroni in movimento è una vecchia idea in fisica, ma questa è una nuova implementazione su microscala con applicazioni del 21° secolo".
Il lavoro è stato una collaborazione tra sensori quantistici basati sul diamante e ricercatori sul grafene. La loro competenza complementare è stata fondamentale per superare i problemi tecnici con la combinazione di diamante e grafene.
Un'immagine del flusso di corrente nel grafene, ottenuto utilizzando un sensore quantistico a diamante. Il colore rivela dove si trovano i difetti mostrando l'intensità di corrente, cioè il numero di elettroni che passano attraverso ogni secondo. Credito:Università di Melbourne/cqc2t.org
"Nessuno è stato in grado di vedere cosa sta succedendo con le correnti elettriche nel grafene prima, " ha detto Nikolai Dontschuk, un ricercatore di grafene presso la School of Physics dell'Università di Melbourne.
"Costruire un dispositivo che combinasse il grafene con il centro di colore estremamente sensibile dell'azoto vacante nel diamante è stato impegnativo, ma un vantaggio importante del nostro approccio è che è non invasivo e robusto:non interrompiamo la corrente rilevandola in questo modo, " Egli ha detto.
Tetienne ha spiegato come il team è stato in grado di utilizzare il diamante per visualizzare con successo la corrente.
"Il nostro metodo è far brillare un laser verde sul diamante, e vedere la luce rossa che sorge dalla risposta del centro di colore al campo magnetico di un elettrone, " Egli ha detto.
"Analizzando l'intensità della luce rossa, determiniamo il campo magnetico creato dalla corrente elettrica e siamo in grado di immaginarlo, e vedere letteralmente l'effetto delle imperfezioni materiali."
I risultati dell'imaging attuale sono stati pubblicati oggi sulla rivista Progressi scientifici .
