Con los componentes electrónicos cada vez más pequeños, la tecnología cuántica presenta nuevas oportunidades para la miniaturización. Pronto, un nuevo sensor cuántico desarrollado por los investigadores de Fraunhofer podrá medir los diminutos campos magnéticos de la próxima generación de discos duros.
Los circuitos integrados se están volviendo cada vez más complejos. En estos días, un procesador Pentium contiene unos 30 millones de transistores. Y las estructuras magnéticas que se encuentran en los discos duros miden solo de 10 a 20 nanómetros de ancho, menos que un virus de la gripe con un diámetro de 80 a 120 nanómetros.Las dimensiones se están acercando rápidamente al ámbito de la física cuántica y, ya, los investigadores del Instituto Fraunhofer de Física Aplicada del Estado Sólido IAF en Friburgo se están aplicando a los desafíos de la tecnología cuántica del mañana. Junto con colegas del Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido,Están desarrollando un sensor cuántico que podrá medir con precisión los diminutos campos magnéticos que podemos esperar ver en la próxima generación de discos duros. El sensor en sí es un poco más grande que un átomo de nitrógeno, con un diamante sintético que actúa como unsustrato.
El diamante tiene una variedad de ventajas aparte de su considerable estabilidad mecánica y química. Por ejemplo, se pueden implantar átomos extraños como boro o fósforo, convirtiendo así los cristales en semiconductores. El diamante también es el material perfecto para circuitos ópticos. Peroquizás su mayor atributo es su impresionante conductividad térmica, con la fuerza de los enlaces de los átomos de carbono que aseguran que el calor se disipa rápidamente.
Durante las últimas décadas, Fraunhofer IAF ha desarrollado sistemas optimizados para la producción de diamantes. El proceso de producción en masa se lleva a cabo en un reactor de plasma, y Freiburg posee muchos de estos dispositivos de color plateado. El plasma se enciende para generar temperaturas de 800 a 900ºC.grados Celsius para que, cuando se introduzca gas en la cámara, se puedan formar capas de diamante en el sustrato de forma cuadrada. Los cristales de diamante tienen una longitud de borde de entre tres y ocho milímetros, y luego se separan del sustrato y se pulen con un láser.
Preparación del diamante para que actúe como detector magnético
La fabricación del innovador sensor cuántico requiere un cristal particularmente puro, que ha inspirado nuevas mejoras en el proceso. Por ejemplo, para cultivar capas de diamantes ultrapuros, el metano que proporciona el carbono para el diamante se filtra previamente con unfiltro de circonio. Además de eso, el gas debe ser isotópicamente puro, ya que solo el 12C, un isótopo estable del átomo de carbono, tiene un giro nuclear cero, que es un requisito previo para el sensor magnético más adelante. El hidrógeno también se somete a unaproceso de purificación, después del cual el diamante monocristalino ultra puro debe prepararse para su función como detector magnético. Aquí hay dos opciones: o inserta un solo átomo de nitrógeno en la punta extremadamente fina o agrega nitrógeno en la fase finalDespués de eso, la punta de diamante se afila en plasma de oxígeno mediante un proceso de grabado en la propia sala limpia del instituto. El resultado final es una punta de diamante extremadamente fina que se asemeja a la de unmicroscopio de fuerza tomic.La clave de todo el diseño es el átomo de nitrógeno agregado junto con una vacante vecina en la estructura cristalina.
Este centro combinado de nitrógeno y vacantes actúa como el sensor real, emitiendo luz cuando se expone a un láser y microondas. Si hay un imán cerca, variará en su emisión de luz. Los expertos lo llaman espectroscopia de resonancia de espín de electrones. NoEsta técnica solo puede detectar campos magnéticos con precisión nanométrica, también puede determinar su fuerza, lo que abre una gama extraordinaria de aplicaciones. Por ejemplo, las pequeñas puntas de diamante se pueden usar para monitorear la calidad del disco duro. Estos dispositivos de almacenamiento de datos están compactosy siempre hay pequeños errores. El sensor cuántico puede identificar segmentos de datos defectuosos para excluirlos del proceso de lectura y escritura del disco. Esto reduce la tasa de defectos, que aumenta a medida que la miniaturización continúa a buen ritmo, y reduce los costos de producción.
Los sensores cuánticos podrían medir la actividad cerebral
El pequeño sensor se puede aplicar potencialmente en una amplia gama de escenarios, ya que hay campos magnéticos débiles en todas partes, incluso en el cerebro. "Siempre que los electrones se mueven, generan un campo magnético", dice el experto de la IAF Christoph Nebel.pensar o sentir, nuestros cerebros están generando campos magnéticos. Los investigadores están interesados en localizar esta actividad cerebral para determinar las áreas del cerebro que son responsables de una determinada función o sensación. Esto se puede hacer directamente midiendo las ondas cerebrales con electrodos, pero los resultadosson muy imprecisas. Las mediciones de campo magnético ofrecen resultados mucho mejores. Sin embargo, los sensores que se utilizan en este momento tienen una desventaja significativa: deben enfriarse con nitrógeno líquido. Basándose en la conductividad térmica extrema del diamante, la nueva tecnología puede operar atemperatura ambiente sin necesidad de enfriamiento. Para esta aplicación, en lugar de usar puntas finas, usaría plaquetas diminutas que incorporan múltiples centros de vacancia de nitrógenors.Cada centro proporciona un punto en la imagen y, juntos, una imagen detallada.
Actualmente, sin embargo, Christoph Nebel y su equipo están centrando su atención en investigar y optimizar el diamante como material de alta tecnología. Esta aplicación en la tecnología de sensores cuánticos es un comienzo prometedor.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Fraunhofer-Gesellschaft . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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