La electrónica energéticamente eficiente ahora tiene nuevas posibilidades, gracias a un innovador microscopio con diamante que está haciendo que la metrología cuántica sea portátil.
Crédito de la imagen: Elemento Seis
El primer microscopio producido comercialmente que incorpora centros de vacantes de nitrógeno (NV) de diamante para tecnología cuántica es el ProteusQ™ de Qnami. Permite el examen de mesa a nivel atómico de materiales magnéticos utilizando un método conocido como magnetometría NV de escaneo.
Esto desarrollado recientemente, microscopio con diamante proporciona un nivel de miniaturización nunca antes visto para operaciones que antes requerían fuentes de luz con una circunferencia de cientos de metros.
Esta tecnología ampliamente disponible reduce las barreras técnicas para el estudio de materiales a nanoescala y debería acelerar la creación de materiales avanzados para dispositivos que utilizan menos energía.
Element Six ha estado a la vanguardia de la innovación en diamantes sintéticos durante décadas. Para Qnami, Element Six ha sido tanto un socio técnico con el que desarrollamos nuevas aplicaciones como una fuente confiable de diamantes de alta calidad para nuestras necesidades de producción.
Dr. Mathieu Munsch, Director Ejecutivo, Qnami
La oportunidad: una nueva generación de electrónica energéticamente eficiente
Las características magnéticas de los materiales para dispositivos eléctricos han recibido hasta ahora una atención modesta. Spintronics, una nueva rama de la categoría de electrónica, promete combinar un alto rendimiento con un impacto medioambiental mínimo. En la espintrónica, la información se registra en bits magnéticos, al igual que en los discos duros convencionales.
El espín de un electrón, una propiedad cuántica, se puede utilizar para transmitir información en lugar de su carga, permitiéndole moverse en ondas de espín en lugar de corriente eléctrica.
El desafío: gran ciencia con precisión atómica
En la espintrónica se necesitan estructuras de película delgada complejas o multicapa, cuyo espesor debe regularse hasta una capa atómica. La ingeniería adicional transforma estas películas en intrincadas nanoestructuras con tamaños laterales tan pequeños como unos pocos nanómetros.
Es vital medir las consecuencias de modificaciones microscópicas en el proceso de diseño o fabricación para determinar la causa raíz de cualquier mal funcionamiento del sistema. Sin embargo, los métodos de diagnóstico tradicionales no revelan directamente las características magnéticas de dichos dispositivos, lo que retrasa su desarrollo.
Tecnología existente: dicroísmo circular magnético de rayos X
La técnica actual para la metrología espintrónica precisa, el dicroísmo circular magnético de rayos X (XMCD), necesita sincrotrones extremadamente grandes, que pueden tener cientos de metros de diámetro y son operados por grandes equipos de personas. En un contexto de investigación o producción acelerado, obtener acceso a tales instalaciones y recursos puede resultar costoso, llevar mucho tiempo y, en general, inviable.
¿Por qué Diamante?
El potencial de sensores altamente sensibles para medir campos magnéticos y eléctricos es enorme, dada la excepcional fragilidad de los estados cuánticos. Sin embargo, la excepcional fragilidad de los estados cuánticos también plantea un problema importante. Lo ideal sería que los estados cuánticos estuvieran separados de su entorno para minimizar el ruido y las interferencias, pero, al mismo tiempo, la medición requiere cierto grado de interacción externa.
La delgada línea que los ingenieros cuánticos están cada vez más motivados a cruzar para utilizar plenamente esta intrigante tecnología representa el equilibrio entre control e interacción. El diamante sintético es un material anfitrión ideal para los qubits de espín debido a su estabilidad y facilidad de inicialización de los qubits a temperatura ambiente.
Elemento Seis (E6) Diamante de cristal único CVD
- Con su alta sensibilidad, tiempos de decoherencia extendidos y amplio rango dinámico (y funcionalidad vectorial), el diamante CVD monocristalino del E6 es el material anfitrión ideal para los qubits de espín.
- Durante las últimas décadas, Element Six ha invertido tiempo y recursos para ampliar sus capacidades de innovación y consolidar aún más su amplia cartera de patentes en áreas relevantes relacionadas con las tecnologías cuánticas.
- Element Six desarrolla una variedad de grados de diamante CVD y otros materiales superabrasivos de alta ingeniería para aplicaciones en mecanizado, óptica, gestión térmica y detección.
Oblea de diamante durante el proceso de fabricación de Qnami Quantilevers™. Crédito de la imagen: Qnami
Solución de Qnami y Element Six: magnetometría NV de escaneo
Con un solo operador que utiliza el Qnami ProteusQ™ de escritorio, ahora es posible realizar investigaciones de materiales a escala atómica de forma más rápida y precisa en un entorno de laboratorio típico gracias al poder cuántico del diamante NV.
Utilizando el método de magnetometría NV de barrido, se pueden manipular sensores cuánticos microscópicos y nítidos con puntas de diamante NV con extrema precisión sobre estructuras magnéticas diminutas para mapear y visualizar propiedades magnéticas. Esta solución es diez veces mejor que XMCD a gran escala y proporciona una mayor resolución espacial a nivel de escala.
Este dispositivo avanzado con diamante puede acelerar la I+D y la comercialización de nuevas tecnologías que se basan en nanoestructuras y manipulación de electrones, proporcionando retroalimentación en tiempo real y desbloqueando la posibilidad de escala industrial.
¿Qué es un centro de vacantes de nitrógeno (NV)?
Una investigación pionera de la Universidad de Harvard y la Universidad de Stuttgart ha demostrado que los átomos de carbono con centros de nitrógeno vacíos, un defecto también presente en algunos raros diamantes rosas naturales, tienen un espín cuántico que puede controlarse y leerse a temperatura ambiente mediante métodos ópticos estándar.
Con niveles de precisión sin precedentes, Element Six puede diseñar estos defectos cuánticos para convertirlos en diamantes sintéticos que se fabrican utilizando sus procesos y tecnología patentados de deposición química de vapor (CVD).
Los centros NV son centros de color en los que un átomo de nitrógeno reemplaza a un átomo de carbono, dejando una vacante (o un átomo de carbono faltante) en su lugar. La tecnología de detección y magnetometría se basa en el espín del electrón NV, que es extremadamente sensible a los campos magnéticos.
Debido a que el espín de los electrones se puede detectar y leer fácilmente simplemente iluminando el material con un LED verde y midiendo la cantidad de fluorescencia roja que emite, esta plataforma es extremadamente práctica.
A temperatura ambiente, se ha demostrado que los espines de los electrones NV pueden almacenar información cuántica durante más de 1 milisegundo. Para algunas aplicaciones, se requieren conjuntos de múltiples centros NV. Sin embargo, este método de detección y alineación también se puede utilizar con un único centro NV, creando nuevas oportunidades para una resolución espacial innovadora y una sensibilidad a nanoescala.
Próximos pasos: espintrónica comercial
Con la introducción de la tecnología de RAM magnética (MRAM), espintrónica está pasando del laboratorio a la creación de productos comerciales. Se prevé que las importantes ventajas proporcionadas por la magnetometría de barrido NV harán posible una creciente variedad de perspectivas, basadas en una nueva generación de materiales semiconductores sofisticados, como ferroimanes ultrafinos, antiferroimanes, multiferroicos y materiales 2D.
La próxima tarea será reducir aún más la escala para proporcionar soluciones cada vez más portátiles y desarrollar aún más las características de los materiales para permitir la medición de diversas propiedades físicas en diferentes circunstancias.
Element Six trabajó en esta tecnología cuando aún era ciencia básica en Harvard, hace más de diez años. Hoy en día es increíblemente emocionante ver cómo esta ciencia innovadora se hace realidad y estamos orgullosos de colaborar con Qnami para comercializar una nueva solución que permitirá avances cruciales en materiales espintrónicos.
Dr. Daniel Twitchen, director ejecutivo, desarrollo empresarial y ventas de tecnología, Element Six
Representación artística de un diamante Quantilever™ que contiene un único centro NV para imágenes cuánticas de alta resolución. Crédito de la imagen: Elemento Seis
DNV-B1™ de Element Six: el primer diamante de grado cuántico de uso general disponible comercialmente. Crédito de la imagen: Elemento Seis
Esta información fue obtenida, revisada y adaptada de materiales proporcionados por Element Six.
Para obtener más información sobre esta fuente, visite Elemento Seis.
