С развитием квантовых технологий становятся возможными новые методы микроскопии - те, которые позволяют видеть электрические токи, обнаруживать флуктуирующие магнитные поля и даже видеть отдельные молекулы на поверхности.

Прототип такого микроскопа, демонстрирующего чувствительность с высоким разрешением, был разработан австралийской исследовательской группой во главе с профессором Игорем Аароновичем из Технологического университета Сиднея и доктором Жан-Филиппом Тетьеном из Университета RMIT. Выводы команды теперь опубликованы в Физика природы.

Квантовый микроскоп основан на атомарных примесях, которые после лазерного облучения излучают свет, который может быть непосредственно связан с интересными физическими величинами, такими как магнитное поле, электрическое поле или химическая среда вблизи дефекта.

Профессор Ааронович сказал, что изобретательность нового подхода заключалась в том, что в отличие от громоздких кристаллов, часто используемых для квантового зондирования, исследовательская группа использовала атомарно тонкие слои, называемые гексагональным нитридом бора (hBN).

"Этот материал ван-дер-Ваальса, состоящий из прочно связанных двумерных слоев, может быть сделан очень тонким и соответствовать произвольно шероховатым поверхностям, что обеспечивает высокую чувствительность разрешения", - сказал профессор Ааронович.

"Эти свойства привели нас к идее использования "квантово-активных" пленок hBN для выполнения квантовой микроскопии, которая, по сути, представляет собой метод визуализации, использующий массивы квантовых датчиков для создания пространственных карт величин, к которым они чувствительны", - сказал доктор Тетьен.

"До сих пор квантовая микроскопия была ограничена в своем пространственном разрешении и гибкости применения проблемами взаимодействия, присущими использованию громоздкого трехмерного датчика. Используя вместо этого датчик ван-дер-Ваальса, мы надеемся расширить возможности квантовой микроскопии в областях, которые ранее были недоступны".

Чтобы проверить возможности прототипа, команда провела квантовое зондирование технологически важного магнитного материала - чешуйки CrTe2, ферромагнетика ван-дер-Ваальса с критической температурой чуть выше комнатной.

Квантовый микроскоп на основе hBN смог получить изображение магнитных доменов ферромагнетика в наноразмерной близости к датчику и в условиях окружающей среды - то, что на сегодняшний день считалось невозможным.

Более того, используя уникальные свойства дефектов hBN, была записана одновременная температурная карта, подтверждающая, что микроскоп может быть использован для выполнения корреляционной визуализации между двумя величинами.

Ведущие авторы для Физика природы Авторы статьи, аспиранты Алекс Хили (Мельбурнский университет) и Сэм Шолтен (Мельбурнский университет), а также начинающий карьеру исследователь Тьешан Янг (UTS), заявили, что ван-дер-ваальсова природа датчика позволила осуществлять двойное измерение магнитных свойств и температуры.

"Поскольку он очень тонкий, через него может рассеиваться не так много тепла, и любое существующее распределение температуры такое же, как если бы датчика там не было", - сказали они. "То, что начиналось как экспериментальное раздражение, в конечном итоге стало намеком на возможности нашего микроскопа, которые являются уникальными среди существующих альтернатив".

"Существует огромный потенциал для этого нового поколения квантовой микроскопии", - сказал старший научный сотрудник UTS доктор Мехран Кианиния. "Он не только может работать при комнатной температуре и предоставлять одновременную информацию о температуре, электрических и магнитных полях, но и может быть легко интегрирован в наноразмерные устройства и выдерживать очень суровые условия эксплуатации, поскольку hBN - очень жесткий материал.

"Основные будущие области применения включают МРТ высокого разрешения (магнитно-резонансную томографию) и ЯМР (ядерный магнитный резонанс), которые могут быть использованы для изучения химических реакций и определения молекулярного происхождения, а также для применения в космосе, обороне и сельском хозяйстве, где дистанционное зондирование и визуализация являются ключевыми".