Именно этого добилась группа квантового зондирования и визуализации Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Сотрудники лаборатории физика Ани Джейич два года работали над разработкой принципиально новой сенсорной технологии, способной обеспечить пространственное разрешение в нанометровом масштабе и исключительную чувствительность. Их результаты опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.
«Это первый инструмент такого рода», – сказал Джейич, заведующий кафедрой науки и техники UCSB Bruker Endowed и заместитель директора лаборатории исследования материалов кампуса. "Он работает от комнатной до низких температур, где происходит много интересной физики.
Когда тепловая энергия достаточно низка, эффекты взаимодействия электронов, например, становятся наблюдаемыми, что приводит к новым фазам вещества. И теперь мы можем исследовать их с беспрецедентным пространственным разрешением."
Под микроскопом уникальный односпиновый квантовый датчик напоминает зубную щетку. Каждая «щетинка» содержит один сплошной кристалл алмаза, изготовленный на основе нанотехнологий, со специальным дефектом, азотно-вакансионным (NV) центром, расположенным на кончике.
Два соседних атома отсутствуют в углеродной решетке алмаза, а одно пространство заполнено атомом азота, что позволяет определять определенные свойства материала, в частности магнетизм. Эти датчики были изготовлены в чистой комнате Нанофабриката UCSB.
Команда решила отобразить относительно хорошо изученный сверхпроводящий материал, содержащий магнитные структуры, называемые вихрями – локализованные области магнитного потока. С помощью своего инструмента исследователи смогли отобразить отдельные вихри.
«Наш инструмент – квантовый датчик, потому что он основан на причудливости квантовой механики», – объяснил Джейич. "Мы помещаем NV-дефект в квантовую суперпозицию, где он может находиться в том или ином состоянии – мы не знаем – а затем мы позволяем системе развиваться в присутствии поля и измеряем его. Эта неопределенность суперпозиции позволяет проводить такое измерение."
Такое квантовое поведение часто ассоциируется с низкотемпературными средами. Однако специализированный квантовый прибор группы работает при комнатной температуре и вплоть до 6 Кельвинов (почти минус 450 ° по Фаренгейту), что делает его очень универсальным, уникальным и способным изучать различные фазы вещества и связанные с ними фазовые переходы.
«Многие другие инструменты для микроскопии не имеют такого диапазона температур», – пояснил Джейич. «Еще одним преимуществом нашего инструмента является его превосходное пространственное разрешение, которое обеспечивается тем фактом, что датчик состоит из одного атома.
Кроме того, его размер делает его неинвазивным, а это означает, что он минимально влияет на физику, лежащую в основе системы материалов."
В настоящее время команда создает изображения скирмионов – квазичастиц с конфигурациями, подобными магнитному вихрю – с огромной привлекательностью для будущих технологий хранения данных и спинтроники.
Используя наноразмерное пространственное разрешение своего инструмента, они стремятся определить относительную силу конкурирующих взаимодействий в материале, которые вызывают скирмионы. «Между атомами существует множество различных взаимодействий, и вам нужно понять их все, прежде чем вы сможете предсказать, как будет вести себя материал», – сказал Джейич.
«Если вы можете изобразить размер магнитных доменов материала и то, как они развиваются на небольших масштабах длины, это даст вам информацию о ценности и силе этих взаимодействий», – добавила она. «В будущем этот инструмент поможет понять природу и силу взаимодействий в материалах, которые затем порождают интересные новые состояния и фазы материи, которые интересны с точки зрения фундаментальной физики, но также и для технологий."