Os circuitos integrados estão se tornando cada vez mais complexos. Hoje em dia, um processador Pentium contém cerca de 30 milhões de transistores. E as estruturas magnéticas encontradas em discos rígidos medem apenas 10 a 20 nanômetros de diâmetro - menos do que um vírus de gripe com 80 a 120 nanômetros de diâmetro. As dimensões estão se aproximando rapidamente do reino da física quântica e, já, pesquisadores do Instituto Fraunhofer de Física de Estado Sólido Aplicada, IAF, em Freiburg, estão se dedicando aos desafios da tecnologia quântica de amanhã. Junto com colegas do Instituto Max Planck para Pesquisa do Estado Sólido, eles estão desenvolvendo um sensor quântico que será capaz de medir com precisão os minúsculos campos magnéticos que podemos esperar ver na próxima geração de discos rígidos. O próprio sensor é ligeiramente maior do que um átomo de nitrogênio, com um diamante sintético para atuar como substrato.

O diamante tem uma variedade de vantagens além de sua considerável estabilidade mecânica e química. Por exemplo, pode-se implantar átomos estranhos, como boro ou fósforo, transformando assim os cristais em semicondutores. O diamante também é o material perfeito para circuitos ópticos. Mas talvez seu maior atributo seja sua impressionante condutividade térmica, com a força das ligações do átomo de carbono, garantindo que o calor seja rapidamente dissipado.

Nas últimas décadas, A Fraunhofer IAF desenvolveu sistemas otimizados para a produção de diamantes. O processo de produção em massa ocorre em um reator de plasma, e Freiburg possui muitos desses dispositivos prateados. O plasma é inflamado para gerar temperaturas de 800 a 900 graus Celsius para que, quando o gás é alimentado na câmara, camadas de diamante podem se formar no substrato em forma de quadrado. Os cristais de diamante têm um comprimento de borda entre três e oito milímetros, e são então separados do substrato e polidos com um laser.

Preparando o diamante para atuar como um detector magnético

A fabricação do sensor quântico inovador requer um cristal particularmente puro, que inspirou mais melhorias no processo. Por exemplo, a fim de crescer camadas de diamante ultra-puro, o metano que fornece o carbono para o diamante é pré-filtrado com um filtro de zircônio. Além disso, o gás deve ser isotopicamente puro, uma vez que apenas 12C - um isótopo estável do átomo de carbono - tem spin nuclear zero, que é um pré-requisito para o sensor magnético mais tarde. O hidrogênio também passa por um processo de purificação, depois disso, o diamante de cristal único ultra-puro deve ser preparado para seu papel como detector magnético. Aqui, há duas opções:ou você insere um único átomo de nitrogênio na ponta extremamente fina, ou você adiciona nitrogênio na fase final do processo de produção do diamante. Depois disso, a ponta de diamante é afiada em plasma de oxigênio usando um processo de corrosão na própria sala limpa do instituto. O resultado final é uma ponta de diamante extremamente fina que se assemelha a um microscópio de força atômica. A chave para todo o projeto é o átomo de nitrogênio adicionado junto com um vazio vizinho na estrutura do cristal.

Este centro de vacância de nitrogênio combinado atua como o sensor real, emitindo luz quando exposto a um laser e microondas. Se houver um ímã por perto, ele irá variar em sua emissão de luz. Os especialistas chamam isso de espectroscopia de ressonância de spin de elétrons. Essa técnica não só pode detectar campos magnéticos com precisão nanométrica, pode determinar sua força também, abrindo uma gama extraordinária de aplicações. Por exemplo, as minúsculas pontas de diamante podem ser usadas para monitorar a qualidade do disco rígido. Esses dispositivos de armazenamento de dados são compactados e sempre existem pequenos erros. O sensor quântico pode identificar segmentos de dados defeituosos para que sejam excluídos do processo de leitura e gravação do disco. Isso reduz a taxa de defeitos, que está aumentando à medida que a miniaturização continua em ritmo acelerado, e reduz os custos de produção.

Sensores quânticos podem medir a atividade cerebral

O minúsculo sensor pode ser potencialmente aplicado em uma ampla gama de cenários, uma vez que existem campos magnéticos fracos em todos os lugares, até mesmo no cérebro. "Sempre que os elétrons se movem, eles geram um campo magnético, "diz o especialista da IAF Christoph Nebel. Então, quando pensamos ou sentimos, nossos cérebros estão gerando campos magnéticos. Os pesquisadores estão ansiosos para localizar essa atividade cerebral para determinar as áreas do cérebro que são responsáveis ​​por uma determinada função ou sentimento. Isso pode ser feito diretamente medindo ondas cerebrais usando eletrodos, mas os resultados são muito imprecisos. As medições de campo magnético oferecem resultados muito melhores. Contudo, os sensores em uso no momento têm uma desvantagem significativa, pois devem ser resfriados com nitrogênio líquido. Baseando-se na extrema condutividade térmica do diamante, a nova tecnologia pode operar em temperatura ambiente sem a necessidade de qualquer resfriamento. Para este aplicativo, em vez de usar pontas finas, você usaria plaquetas minúsculas que incorporam vários centros de vacância de nitrogênio. Cada centro fornece um ponto na imagem e, juntos, uma imagem detalhada.

Atualmente, Contudo, Christoph Nebel e sua equipe estão focando sua atenção na pesquisa e otimização do diamante como um material de alta tecnologia. Esta aplicação na tecnologia de sensores quânticos é um começo promissor.