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传感器氮原子的大小调查硬盘驱动器

发布时间:2019-08-12 11:36 来源:未知 编辑:admin

  随着电子元件越来越小,量子技术为小型化提供了新的机会。不久,弗劳恩霍夫研究人员开发的新型量子传感器将能够测量下一代硬盘的微小磁场。

  集成电路变得越来越复杂。目前,奔腾处理器包含大约3000万个晶体管。在硬盘驱动器中发现的磁性结构仅为10到20纳米 - 不到直径为80到120纳米的流感病毒。尺寸正在迅速接近量子物理学的领域,弗莱堡弗劳恩霍夫应用固态物理研究所的研究人员已经将自己应用于未来的量子技术挑战。他们与马克斯普朗克固态研究所的同事一起开发了一种量子传感器,能够精确测量我们在下一代硬盘中可以看到的微小磁场。传感器本身略大于氮原子,

  除了相当大的机械和化学稳定性之外,钻石还具有多种优点。例如,可以注入诸如硼或磷的外来原子,从而将晶体转变为半导体。金刚石也是光学电路的理想材料。但也许它最大的特点是它令人印象深刻的导热性,碳原子键的强度确保了热量迅速消散。

  在过去的几十年里,Fraunhofer IAF开发了优化的钻石生产系统。大规模生产的过程发生在等离子体反应器中,弗莱堡拥有许多这些银色装置。点燃等离子体以产生800至900摄氏度的温度,使得当气体进入腔室时,可以在方形基板上形成金刚石层。金刚石晶体的边长为3至8毫米,然后与基板分离并用激光抛光。

  制造创新的量子传感器需要特别纯净的晶体,这进一步激发了工艺的进一步改进。例如,为了生长超纯金刚石层,使用锆过滤器对为钻石提供碳的甲烷进行预过滤。最重要的是,气体必须是同位素纯的,因为只有12C--碳原子的稳定同位素 - 没有核自旋,这是后来磁传感器的先决条件。氢还经历纯化过程,之后必须制备超纯单晶金刚石作为磁检测器的作用。这里有两种选择:要么将一个氮原子插入极细的尖端,要么在钻石生产过程的最后阶段添加氮。之后,钻石尖端在氧气等离子体中使用蚀刻工艺在研究所自己的洁净室中进行磨削。最终结果是一个非常精细的金刚石尖端,类似于原子力显微镜。整个设计的关键是添加氮原子以及晶体结构中的相邻空位。

  这个组合的氮空位中心充当实际的传感器,当它暴露于激光和微波时发光。如果附近有磁铁,它的发光会有所不同。专家称这种电子自旋共振光谱学。这种技术不仅可以检测纳米精度的磁场,还可以确定它们的力,开辟了非常广泛的应用范围。例如,微小的钻石尖端可用于监控硬盘质量。这些数据存储设备紧凑,总是存在微小的错误。量子传感器可以识别有缺陷的数据段,从而将它们排除在盘读取和写入过程之外。这降低了缺陷率,随着小型化的继续快速发展,并且降低了生产成本。

  微小的传感器可以应用于各种场景,因为到处都有弱磁场,即使在大脑中也是如此。“每当电子移动时,它们就会产生磁场,”IAF专家Christoph Nebel说。因此,当我们思考或感觉时,我们的大脑正在产生磁场。研究人员热衷于将这种大脑活动本地化,以确定负责某种功能或感觉的大脑区域。这可以通过使用电极测量脑波直接完成,但结果非常不精确。磁场测量提供了更好的结果。然而,此时使用的传感器具有一个明显的缺点,即它们必须用液氮冷却。借鉴钻石的极端导热系数,新技术可在室温下运行,无需任何冷却。对于这种应用,您可以使用包含多个氮空位中心的小血小板,而不是使用精细的尖端。每个中心在图像中提供一个点,并且一起提供详细的图片。

  然而,目前,Christoph Nebel及其团队正致力于研究和优化钻石作为高科技材料。量子传感器技术的这种应用是一个很有希望的开端

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