Cambridge Üniversitesi’ndeki fizikçilerden oluşan bir ekip, altıgen bor nitrürdeki (hBN) spin kusurlarının oda sıcaklığında güçlü sensörler olarak kullanılabileceğini göstererek kuantum algılamada büyük bir atılım gerçekleştirdi. Bu sensörler nano ölçekteki manyetik alanları birden fazla yönde tespit edebiliyor. Nature Communications’da yayınlanan bulgular, daha pratik ve esnek kuantum teknolojilerine doğru önemli bir ilerlemeyi temsil ediyor.
“Kuantum sensörleri, çeşitli niceliklerin nano ölçekteki değişimlerini tespit etmemizi sağlıyor. Manyetometri söz konusu olduğunda, kuantum sensörler malzemelerdeki akım akışı ve mıknatıslanma gibi özelliklerin nanoölçekte görselleştirilmesini sağlayarak yeni fizik ve işlevselliklerin keşfedilmesine olanak tanır,” diyor Dr. Carmem Gilardoni. “Bu çalışma, sadece nano ölçekli uygulamalarla uyumlu olmakla kalmayıp aynı zamanda son teknoloji nano ölçekli kuantum sensörlerine kıyasla yeni serbestlik dereceleri sunan bir malzeme olan hBN’yi kullanarak bu yeteneği bir üst seviyeye taşıyor.”
Elmas Tabanlı Sensörlerin Ötesine Geçme
Şimdiye kadar, oda sıcaklığında nano ölçekli kuantum manyetometri sadece elmastaki azot boşluğu (NV) merkezi kusurları kullanılarak mümkün olmuştur. Etkili olmasına rağmen, bu sensörler altta yatan fotofiziklerinden dolayı sınırlamalarla karşı karşıyadır. Özellikle, NV merkezleri manyetik alanları tek bir eksen boyunca algılar ve sınırlı bir dinamik aralığa sahiptir. Buna karşılık, Cambridge ekibi tarafından geliştirilen hBN tabanlı sensör, çok daha geniş bir dinamik aralıkla çok eksenli manyetik alan algılamasına olanak sağlayarak bu zorlukların üstesinden geliyor.
Araştırmacılar sadece sensörün yeteneklerini göstermekle kalmadılar, aynı zamanda performansının arkasındaki fiziksel nedenleri de ortaya çıkardılar. Sensörün geniş dinamik aralığının ve vektörel manyetik alanları tespit etme yeteneğinin, hBN kusurlarının düşük simetrisinden ve uygun uyarılmış durum optik özelliklerinden kaynaklandığını buldular.
hBN’nin Kuantum Algılama Malzemesi Olarak Potansiyeli
hBN, grafene benzer şekilde sadece birkaç atomik katman kalınlığına kadar pul pul dökülebilen iki boyutlu bir malzemedir. HBN kafesindeki atomik ölçekli kusurlar, yerel manyetik koşullara duyarlı bir şekilde görünür ışığı emer ve yayar, bu da onu kuantum algılama uygulamaları için ideal bir aday haline getirir.
Bu çalışmada ekip, optik olarak algılanan manyetik rezonans (ODMR) olarak bilinen bir teknik kullanarak hBN kusur floresansının manyetik alandaki değişikliklere tepkisini araştırdı. Spin tepkisini dikkatle takip ederek ve bunu foton emisyonu dinamiklerinin ayrıntılı analiziyle birleştirerek, ekip sistemin altında yatan optik oranları ve bunların kusur simetrisiyle bağlantısını ve bu kombinasyonun nasıl sağlam ve çok yönlü bir manyetik alan sensörüyle sonuçlandığını ortaya çıkarabildi.
Kuantum Görüntüleme İçin Yeni Uygulamaların Kilidini Açma
“ODMR yeni bir teknik değil – ancak gösterdiğimiz şey, hBN platformu kullanılarak oluşturulan probların bu tekniğin çeşitli yeni durumlarda uygulanmasına izin vereceğidir. Bu heyecan verici çünkü manyetik fenomenleri ve nanomalzemeleri daha önce yapamadığımız bir şekilde görüntülemenin kapısını açıyor,” diyor Dr. Simone Eizagirre Barker.
Cavendish Laboratuvarı’nda Prof Mete Atatüre ile birlikte araştırmayı yürüten Prof Hannah Stern, “Bu sensör, yeni malzeme sistemlerinde veya daha önce yapılandan daha yüksek uzamsal çözünürlükle manyetik olayları incelemenin kapısını açabilir” dedi. “Ana malzemenin 2D yapısı da bu sensörün kullanımı için heyecan verici yeni olanaklar sunuyor. Örneğin, bu tekniğin uzamsal çözünürlüğü numune ile sensör arasındaki mesafeye göre belirlenir. Atomik incelikte bir malzemeyle, manyetik alanın atomik ölçekte uzamsal haritalamasını potansiyel olarak gerçekleştirebiliriz.”
Haberin Kaynakları:
- scitechdaily.com/cambridge-physicists-pioneer-atomically-thin-quantum-magnetic-sensors/
- nature.com/articles/s41467-025-59642-0
Haberi Derleyen: Elif Gül Türkmen / Eskisehir Teknik Üniversitesi / Yüksek Lisans Öğrencisi