"Квантовые датчики позволяют нам обнаруживать наноразмерные вариации различных величин. В случае магнитометрии квантовые датчики позволяют визуализировать на наноуровне такие свойства, как протекание тока и намагничивание материалов, что приводит к открытию новой физики и функциональности", - сказал доктор Кармем Гилардони, соавтор этого исследования в Кавендишской лаборатории Кембриджа. "Эта работа выводит эту возможность на новый уровень с использованием hBN, материала, который не только совместим с наноразмерными приложениями, но и предлагает новые степени свободы по сравнению с современными наноразмерными квантовыми датчиками".

На сегодняшний день наноразмерная квантовая магнитометрия в условиях окружающей среды возможна только при наличии дефекта в центре азотной вакансии (NV) в алмазе. Несмотря на то, что эти датчики являются мощной технологией, они имеют ограничения, обусловленные их фундаментальной фотофизикой. В частности, NV centre представляет собой одноосный датчик с ограниченным динамическим диапазоном для обнаружения магнитного поля. Напротив, датчик hBN, разработанный командой из Кембриджа, не разделяет этих ограничений и вместо этого представляет собой многоосевой датчик магнитного поля с большим динамическим диапазоном.

Работа команды демонстрирует возможности этого нового датчика, а также обеспечивает механистическое понимание происхождения его полезных свойств для зондирования. Важно отметить, что команда обнаружила, что низкая симметрия и случайные оптические скорости в возбужденном состоянии ответственны за динамический диапазон и векторные возможности.

hBN - это двумерный материал, похожий на графен, который можно отслаивать толщиной всего в несколько атомных слоев. Дефекты атомного масштаба в решетке hBN поглощают и излучают видимый свет таким образом, что чувствительны к местным магнитным условиям, что делает его идеальным кандидатом для применения в квантовом зондировании.

В этом исследовании команда исследовала реакцию флуоресценции дефекта hBN на изменения магнитного поля, используя метод, известный как оптически детектируемый магнитный резонанс (ODMR). Тщательно отслеживая спиновый отклик и сочетая это с детальным анализом динамики излучения фотонов, команда смогла выявить основные оптические характеристики системы и их связь с симметрией дефекта, а также то, как эта комбинация приводит к созданию надежного и универсального датчика магнитного поля.

"ODMR не является новым методом, но мы показали, что зонды, созданные с использованием платформы hBN, позволят применять этот метод в самых разных новых ситуациях. Это захватывающе, потому что открывает возможности для визуализации магнитных явлений и наноматериалов способом, которого мы раньше не могли", - сказала доктор Симона Эйзагирре Баркер, соавтор статьи.

"Этот датчик мог бы открыть дверь для изучения магнитных явлений в новых системах материалов или с более высоким пространственным разрешением, чем это делалось ранее", - сказала профессор Ханна Стерн, которая совместно руководила исследованием с профессором Мете Ататюре из Кавендишской лаборатории. "Двумерная природа основного материала также открывает захватывающие новые возможности для использования этого датчика. Например, пространственное разрешение для этого метода определяется расстоянием между образцом и датчиком. С помощью атомарно-тонкого материала мы потенциально можем реализовать пространственное отображение магнитного поля в атомном масштабе".