Los circuitos integrados se están volviendo cada vez más complejos. Actualmente, 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 diámetro, menos que un virus de la gripe con un diámetro de 80 a 120 nanómetros. Las dimensiones se están acercando rápidamente al reino 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 para la 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 para que actúe como sustrato.

El diamante tiene una variedad de ventajas aparte de su considerable estabilidad mecánica y química. Por ejemplo, se pueden implantar átomos extraños como el boro o el fósforo, convirtiendo así los cristales en semiconductores. El diamante también es el material perfecto para circuitos ópticos. Pero quizás su mayor atributo es su impresionante conductividad térmica, con la fuerza de los enlaces del átomo de carbono asegurando que el calor se disipa rápidamente.

En las ultimas decadas, 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 Friburgo posee muchos de estos dispositivos de color plateado. El plasma se enciende para generar temperaturas de 800 a 900 grados Celsius para que, cuando se introduce gas en la cámara, Se pueden formar capas de diamantes sobre el sustrato de forma cuadrada. Los cristales de diamantes tienen una longitud de borde de entre tres y ocho milímetros, y luego se separan del sustrato y se pulen con láser.

Preparando el diamante para que actúe como detector magnético

La fabricación del innovador sensor cuántico requiere un cristal particularmente puro, lo que ha inspirado nuevas mejoras en el proceso. Por ejemplo, para hacer crecer capas de diamantes ultrapuros, el metano que proporciona el carbono para el diamante se prefiltra con un filtro de circonio. Además de eso, el gas debe ser isotópicamente puro, dado que solo el 12C, un isótopo estable del átomo de carbono, tiene cero espín nuclear, que es un requisito previo para el sensor magnético más adelante. El hidrógeno también se somete a un proceso de purificación, después de lo cual, el diamante monocristalino ultrapuro 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 final del proceso de producción de diamantes. Después, 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 un microscopio de fuerza atómica. 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, emite luz cuando se expone a un láser y microondas. Si hay un imán cerca, variará en su emisión de luz. Los expertos llaman a esto espectroscopia de resonancia de espín de electrones. Esta técnica no solo puede detectar campos magnéticos con precisión nanométrica, también puede determinar su fuerza, abriendo una extraordinaria gama de aplicaciones. Por ejemplo, las diminutas puntas de diamante se pueden utilizar para controlar la calidad del disco duro. Estos dispositivos de almacenamiento de datos están bien empaquetados y 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 se dispara 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, dado que hay campos magnéticos débiles en todas partes, incluso en el cerebro. "Siempre que los electrones se muevan, generan un campo magnético, ", dice el experto de la IAF, Christoph Nebel. Entonces, cuando pensamos o sentimos, 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 sentimiento. Esto se puede hacer directamente midiendo las ondas cerebrales usando electrodos, pero los resultados son muy imprecisos. Las mediciones de campo magnético ofrecen resultados mucho mejores. Sin embargo, los sensores que se utilizan en este momento tienen una desventaja significativa en que deben enfriarse con nitrógeno líquido. Basándose en la conductividad térmica extrema del diamante, la nueva tecnología puede funcionar a temperatura ambiente sin necesidad de refrigeración. Para esta aplicación, en lugar de usar puntas finas, usaría plaquetas diminutas que incorporan múltiples centros vacantes de nitrógeno. Cada centro aporta un punto en la imagen y, juntos, una imagen detallada.

En la actualidad, 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.