Défauts de spin dans le nitrure de bore hexagonal créés par le bombardement d'ions hélium

21 juillet 2023

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par l'Université nationale de Singapour

Les physiciens de l'Université nationale de Singapour (NUS) ont développé une méthode utilisant un faisceau focalisé d'ions d'hélium pour créer des réseaux de défauts dans le nitrure de bore hexagonal (hBN) qui peuvent potentiellement être utilisés pour des applications de détection magnétique.

Le nitrure de bore hexagonal (hBN) est un matériau bidimensionnel (2D) composé d'atomes de bore et d'azote disposés dans une structure de réseau hexagonal. Il présente des propriétés uniques pour les applications en détection quantique. De nombreux types de défauts ont été découverts dans le hBN et l’un d’entre eux, la lacune de bore chargée négativement (VB–), présente un intérêt particulier car elle possède des propriétés de spin qui la rendent précieuse pour les applications de détection quantique.

Dans cette étude, un faisceau d’ions d’hélium de haute énergie produit par l’accélérateur du Centre pour les applications des faisceaux d’ions (CIBA) du Département de physique du NUS a été utilisé pour irradier des flocons de hBN afin de générer des centres optiques VB. La capacité de focaliser le faisceau d'ions sur des points de taille nanométrique et de balayer spatialement le faisceau permet de fabriquer des réseaux d'émetteurs optiques à motifs avec une grande précision.

Les travaux sont le résultat d'une collaboration entre une équipe de recherche dirigée par le professeur agrégé Andrew Bettiol et l'équipe dirigée par le professeur agrégé Goki Eda, tous deux du Département de physique de NUS. Le centre de défauts optiques VB –, issu des expériences menées par l'équipe de recherche, présente des propriétés intéressantes lorsqu'il est exposé à l'énergie des micro-ondes. Cette étude a été publiée dans la revue Advanced Optical Materials.

Une technique spectroscopique connue sous le nom de résonance magnétique détectée optiquement (ODMR) a été utilisée pour détecter de minuscules champs magnétiques dans les expériences. Cette technique combine les principes de résonance magnétique et de spectroscopie optique pour étudier les propriétés des matériaux paramagnétiques et leur interaction avec le rayonnement électromagnétique.

Tout d’abord, un laser vert est utilisé pour exciter le centre du défaut VB- afin qu’il émette de la lumière à une longueur d’onde d’environ 810 nm, qui se situe dans la partie proche infrarouge du spectre électromagnétique. Une antenne en cuivre est ensuite utilisée pour générer une fréquence micro-onde spécifique à proximité de l’échantillon hBN. Cette énergie micro-onde initialise le défaut dans un état de spin qui entraîne une réduction de l'intensité lumineuse émise par le défaut. La fréquence micro-onde est réglée jusqu'à ce qu'une baisse de l'intensité lumineuse soit détectée. Cela s'est produit à environ 3,48 GHz, où une double baisse de l'intensité de la photoluminescence a été observée. Une fois la fréquence de résonance des micro-ondes trouvée, le capteur est prêt à être utilisé pour détecter les champs magnétiques.

Le professeur Bettiol a déclaré : « En utilisant cette propriété unique présentée par le hBN, un minuscule champ magnétique qui se produit parfois dans les systèmes biologiques ou dans les matériaux magnétiques modifiera la fréquence de résonance, ce qui entraînera la restauration de l'émission de lumière du capteur. du centre de défauts optiques VB – fournit un moyen de détecter optiquement le champ magnétique local.

Le professeur Eda a ajouté : « Le hBN est un matériau polyvalent qui peut être facilement intégré dans des dispositifs sur puce. Notre démonstration visant à créer des défauts de spin dans le hBN avec une haute précision constitue une étape importante vers la réalisation de capteurs magnétiques sur puce.

Plus d'information: Haidong Liang et al, Défauts de spin à haute sensibilité dans le hBN créés par irradiation par faisceau He à haute énergie, matériaux optiques avancés (2022). DOI : 10.1002/adom.202201941