Физики разработали квантовый сенсор для обнаружения электрических зарядов на атомном уровне

Принцип работы квантового электрометра. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61839-2

От компьютерных чипов до квантовых точек — все технологические платформы стали возможными благодаря детальному пониманию используемых твердотельных материалов, таких как кремний или более сложные полупроводниковые материалы. Это понимание также включает способность идентифицировать и контролировать нерегулярности в кристаллической решетке таких материалов.

Если, например, в решетчатой структуре кристаллов отсутствует атом, там может оказаться захвачен один электрон и, следовательно, электрический заряд. Такие зарядовые ловушки генерируют электромагнитный шум, который ограничивает функциональность этих материалов. Однако чрезвычайно сложно локализовать эти зарядовые ловушки на атомном масштабе.

Исследователи из группы «Интегрированная квантовая фотоника» на кафедре физики Берлинского университета имени Гумбольдта и «Совместной лаборатории алмазной нанофотоники» в Институте Фердинанда Брауна под руководством профессора доктора Тима Шрёдера разработали новый сенсор, который может обнаруживать такие отдельные электрические заряды с беспрецедентной точностью.

Для достижения этого они использовали дефект в кристаллической решетке — две вакансии в сочетании с чужеродным атомом, которые также называют центрами окраски из-за их способности поглощать и излучать свет. Уже известно, что такие оптически активные центры окраски можно использовать в качестве сенсоров для получения информации о свойствах материалов; однако вновь разработанный сенсор позволяет обнаруживать отдельные электрические заряды более точно.

Исследователи внедрили центр окраски в прямоугольный материал из искусственного алмаза. Наблюдение за малейшими изменениями цвета света, излучаемого центром окраски в искусственном алмазе, является основным механизмом для локализации зарядовых ловушек отдельных электронов. Центр окраски характеризуется специфической чувствительностью к электрическим полям.

Если одиночный заряд захвачен рядом с сенсором, изменения цвета становятся отчетливо видимыми; но если заряды находятся всего лишь немного дальше, они почти не вызывают изменений. Это позволяет чрезвычайно точно определять отдельные дефекты. Кроме того, метод позволяет осуществлять мониторинг зарядов в реальном времени путем повторения измерений с регулярными интервалами до одной миллионной секунды.

Локализация зарядовых ловушек на масштабе решетки. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61839-2

Патентная заявка: Инструмент для исследователей материаловедения в квантовую эпоху

Исследователи недавно опубликовали свое исследование в журнале Nature Communications, демонстрируя свойства сенсора. Они также подали заявку на патент в Германии и США на метод и устройство для локализации зарядовых ловушек в кристаллической решетке.

«Это устройство — новый инструмент для исследователей в области материаловедения. Оно делает физические процессы, которые мы ранее не могли наблюдать, видимыми и помогает нам их понять. Это потому, что теперь мы можем локализовать взаимодействие зарядов с дефектами кристаллов гораздо точнее и также записывать его гораздо быстрее, чем раньше», — говорит доктор Грегор Пиплоу, который разработал программное и методологическое обеспечение для сенсора.

«Потенциал сенсора выходит далеко за эти рамки», — добавляет Джем Гюней Торун, который работал над дизайном и настройкой эксперимента. «Интеграция центров окраски в микроскопические алмазные наконечники позволит анализировать самые разнообразные материалы и реализовать действительно атомный, разрешенный по времени и быстрый сканирующий сенсор».

Больше информации: Gregor Pieplow et al, Quantum electrometer for time-resolved material science at the atomic lattice scale, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61839-2

Источник: Humboldt University of Berlin