Bir nitrojen atomu büyüklüğünde bir kuantum sensörü: yeni nesil sabit disk algılaması için kullanılabilir!
Kılavuz
Son zamanlarda, Fraunhofer Uygulamalı Katı Hal Fiziği, Almanya ve Max Planck Katı Hal Araştırma Enstitüsü'nden araştırmacılar yeni bir tür kuantum sensörü geliştirdiler. Sensörün kendisi nitrojen atomlarından sadece biraz daha büyüktür ve substrat olarak yapay elmas kullanır. Yakında yeni nesil sabit disklerin zayıf manyetik alanını ölçmek için kullanılacak.
arka fon
Şu anda, minyatürleştirme, elektronik bileşenlerin önemli gelişme trendlerinden biridir.Yazar, bu eğilimi yansıtan birçok yenilikçi başarıyı daha önce tanıttı ve bunları burada tanıtmayacağım. Bununla birlikte, her şeyin artıları ve eksileri olacak ve minyatürleştirme de bazı sorunları beraberinde getirecek.
Örneğin, sabit disk depolama cihazları, kusur oranı da kendi minyatürleştirmesiyle keskin bir şekilde artacaktır. Ancak bu problem çözümsüz değildir.Yeni ortaya çıkan kuantum teknolojisi bize yeni bir umut veriyor, üretim maliyetlerini düşürürken kusur oranını da düşürüyor, sabit diskin daha da küçülmesine yardımcı oluyor.
(Resim kaynağı: Wikipedia)
Yenilikçilik
Son zamanlarda, Fraunhofer Uygulamalı Katı Hal Fiziği Enstitüsü'nden (Fraunhofer IAF) araştırmacılar ve Max Planck Katı Hal Araştırmaları Enstitüsü'nden meslektaşlar yeni bir tür kuantum sensörü geliştirdiler. Sensörün kendisi nitrojen atomlarından sadece biraz daha büyüktür ve substrat olarak yapay elmas kullanır. Yakında yeni nesil sabit disklerin zayıf manyetik alanını ölçmek için kullanılacak.
(Resim kaynağı: Fraunhofer IAF)
teknoloji
Entegre devreler giderek daha karmaşık hale geliyor. Bugün, bir Pentium işlemci yaklaşık 30 milyon transistör içermektedir. Sabit diskteki manyetik yapının boyutu, 80-120 nanometre çapındaki grip virüsünden daha küçük olan sadece 10-20 nanometre olarak ölçülmektedir. Bu boyut hızla kuantum fiziğinin kapsamına yaklaşıyor.
Almanya, Freiburg'daki Fraunhofer Uygulamalı Katı Hal Fiziği Enstitüsü'ndeki araştırmacılar, gelecekteki kuantum teknolojisinin zorluklarına aktif olarak yanıt veriyorlar. Diğer araştırma ekipleri gibi onlar da elmasları düşündüler.
Diamond, güçlü mekanik ve kimyasal kararlılığı gibi bir dizi avantaja sahiptir. Ek olarak bor veya fosfor gibi yabancı atomların implante edilmesi elmas kristallerini yarı iletkenlere dönüştürebilir. Optik devreler için elmas aynı zamanda en iyi malzemedir. Bununla birlikte, en iyi özelliği, kayda değer termal iletkenliği olabilir, çünkü karbon atomları arasındaki bağlanma kuvveti çok güçlüdür ve bu da ısının hızla dağıtılmasını sağlar.
Yazar daha önce kuantum teknolojisindeki elmas uygulamasının bilimsel araştırma sonuçlarını tanıttı.Örneğin, Avustralyalı bilim adamları grafendeki elektronik hareketi kuantum görüntüleme yöntemleriyle incelemek için elmas kuantum sensörleri kullandılar ve çok sezgisel görüntüler verdiler.
(Resim kaynağı: David A. Broadway / cqc2t.org)
Son birkaç on yılda, Fraunhofer IAF, elmas üretimi için optimize edilmiş cihazlar geliştirdi. Bu seri üretim süreci bir plazma reaktöründe gerçekleşir ve Freiburg bu tür birçok gümüş cihaza sahiptir. Plazma 800 ila 900 derece arasında yüksek bir sıcaklık üretmek için ateşlenir, bu nedenle gaz test odasına beslendiğinde kare alt tabaka üzerinde bir elmas tabaka oluşacaktır. Elmas kristalin yan uzunluğu 3 ile 8 mm arasındadır, ardından alt tabakadan ayrılır ve ardından lazerle parlatılır.
(Resim kaynağı: Fraunhofer IAF)
Yenilikçi kuantum sensörlerinin üretimi, süreçte daha fazla iyileştirmeye de ilham veren özellikle saf bir kristal gerektirir. Örneğin, ultra saf bir elmas katman oluşturmak için, elmasa karbon atomları sağlayan metanın bir zirkonyum filtre kullanılarak önceden filtrelenmesi gerekir. En tepesinde, gazın izotop anlamında saf olması gerekir, çünkü yalnızca karbon 12 (karbon atomlarının kararlı bir izotopu) nükleer spin kuantum numarası 0'a sahiptir ve bu da gelecekte manyetik alan sensörü olarak kullanım için bir önkoşuldur. Hidrojen de saflaştırılır, ardından ultra saf tek kristal elmas bir manyetik alan dedektörü rolünü oynamaya hazırdır.
İki yol vardır: ya tek bir nitrojen atomunu çok ince uca doğrudan yerleştirmek ya da elmas üretiminin son adımında nitrojen atomunu eklemek. Bundan sonra araştırma ekibi, ultra temiz bir laboratuvarda oksijen plazma aşındırma yoluyla çok ince bir elmas ucu bileyecek. Ortaya çıkan son derece ince elmas uç, atomik kuvvet mikroskobuna benzer. Tüm tasarımın anahtarı, kafes yapısındaki bitişik boşluklar arasına nitrojen atomları katmaktır.
Bu birleşik nitrojen boşluk merkezi aslında lazer veya mikrodalgalara maruz kaldığında ışık yayan sensördür. Yakınlarda bir manyetik alan varsa, yaydığı ışık değişecektir. Uzmanlar buna paramanyetik rezonans spektroskopisi diyor.
değer
Bu teknoloji yalnızca nanometre hassasiyetli manyetik alanları tespit etmekle kalmaz, aynı zamanda kuvvetlerini de değerlendirerek bir dizi ultra geleneksel uygulama açar. Örneğin, bu son derece ince elmas uç, sabit disklerin kalitesini test etmek için kullanılabilir. Bu veri depolama cihazları kompakttır ve her zaman küçük hatalara sahiptir. Kuantum sensörleri, hatalı veri segmentlerini belirleyebilir ve bu hata veri segmentlerini sabit disk okuma ve yazma işleminden çıkarabilir.
Bu küçük sensör, beyinde bile zayıf manyetik alanlar her yerde olduğu için bir dizi potansiyel uygulamaya sahiptir. IAF uzmanı Christoph Nebel şunları söyledi: "Elektronlar nasıl hareket ederse etsin, manyetik alanlar oluşturacaklar." Bu yüzden düşündüğümüzde veya algıladığımızda, beyinlerimiz manyetik alanlar üretir. Araştırmacılar beyin aktivitesini bulmaya ve beynin hangi bölümlerinin belirli işlevlerden ve algılardan sorumlu olduğunu belirlemeye isteklidir.
Beyin dalgalarını ölçmek için doğrudan elektrotlar kullanmak bu görevi gerçekleştirebilir, ancak sonuçlar çok yanlıştır. Manyetik alan ölçüm sonuçları çok daha iyidir. Bununla birlikte, halihazırda kullanımda olan sensörlerin önemli bir dezavantajı vardır, yani sıvı nitrojen ile soğutulmaları gerekir. Elmasın güçlü termal iletkenliği ile bu yeni teknoloji, herhangi bir soğutma olmadan oda sıcaklığında çalışabilir. Bu uygulama için ince uçlar yerine birden fazla nitrojen boşluk merkezi olan küçük diskler kullanabilirsiniz. Her merkez, görüntüye bir noktaya katkıda bulunur ve birlikte ayrıntılı bir görüntü oluşturur.
gelecek
Şu anda, Christoph Nebel ve ekibi elması yüksek teknolojili bir malzeme olarak optimize etmek için araştırmalarına odaklanıyor. Bu kuantum sensör teknolojisinin uygulanması çok umut verici bir başlangıçtır.
Anahtar kelime
Elmas, kuantum teknolojisi, manyetizma
Referans
[1] https://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2018/January/sensor_the_size_of_a_nitrogen_atom_investigates_hard_drives.html
