Ga naar hoofdinhoud

Kwantumfysische sensor test harde schijven

Aan het Fraunhofer-IAF geproduceerde ultrareine diamant voor kwantumfysische toepassingen (foto: Fraunhofer-IAF).

Elektronische componenten worden kleiner en kleiner. Kwantumtechnologie opent nieuwe wegen voor miniaturisering. Een kwantumsensor van onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) zal binnenkort kleine magnetische velden kunnen meten, zoals die op toekomstige harde schijven.

Een Pentium-processor bevat ongeveer 30 miljoen transistors en de magnetische structuren op harde schijven meten slechts 10 nm tot 20 nm. Dergelijke dimensies liggen dicht in de buurt van de kwantumfysica.

Samen met collega’s van het Max Planck Institut für Festkörperforschung in Stuttgart ontwikkelen onderzoekers van Fraunhofer-IAF in Freiburg een kwantumsensor die nauwkeurig kleine magnetische velden kan meten, zoals die worden gebruikt op toekomstige harde schijven. De sensor is nauwelijks groter dan een stikstofatoom; het dragermateriaal is een kunstmatige diamant.

Diamant

Diamant heeft behalve grote mechanische en chemische stabiliteit veel voordelen. Zo kan men vreemde atomen introduceren, zoals boor of fosfor, en de kristallen op deze manier in halfgeleiders veranderen. Diamant is ook heel geschikt voor optische circuits. Bovenal is dit materiaal interessant gezien zijn hoge thermische geleidbaarheid. De hoge bindingskrachten van de koolstofatomen zorgen voor een snelle warmteafvoer.

Fraunhofer IAF heeft de afgelopen decennia geoptimaliseerde installaties voor de productie van diamant ontwikkeld. Het aangroeiproces vindt plaats in een microgolf plasmareactor. In de focus van de magnetron ontbrandt een plasma, zodat bij temperaturen van 800°C tot 900°C uit instromend methaan en waterstofgas op diamanten substraten diamantlagen kunnen groeien. De kristallen met afmetingen tussen 3 mm en 8 mm worden later met een laser van het substraat gescheiden en gepolijst.

Kwantumfysische sensor

Voor de productie van de nieuwe kwantumsensor is een bijzonder zuiver kristal nodig, wat heeft geleid tot verdere verbeteringen. Voor de groei van ultrazuivere diamantlagen wordt het methaan (dat het koolstof voor de diamant levert) vooraf gereinigd met behulp van een zirkoniumfilter. Bovendien moet het gas isotoopzuiver zijn, want alleen C12 – een stabiele isotoop van het koolstofatoom – heeft geen kernspin. Dit is een noodzakelijke voorwaarde voor de daaropvolgende magnetische sensor. Ook het waterstof doorloopt een zuiveringsstap.

Het resulterende zeer zuivere monokristallijne diamant moet nu worden voorbereid voor de taak als een magnetische detector. Daar zijn twee mogelijkheden voor: ofwel men implanteert een enkel stikstofatoom ofwel men voegt stikstof toe tijdens de laatste groeifase van de diamantproductie. Hierna worden naalden gevormd, die worden in de eigen cleanroom van het instituut worden bewerkt in een etsproces in een zuurstofplasma. Het resultaat is een flinterdunne diamantnaald die lijkt op die van een rasterkrachtmicroscoop (scanning force microscope).

Vacature

De clou zit in het geïntroduceerde stikstofatoom samen met een aangrenzende lege plek (vacature) in het kristalrooster. Dit is de eigenlijke sensor. Hij straalt licht uit wanneer hij wordt bestraald met laserstralen en microgolven. Hij reageert op een magneet in de buurt door variatie van zijn lichtuitstraling. Experts praten over optisch gedetecteerde elektronenspinresonantiespectroscopie (ODMR). Het is hiermee niet alleen mogelijk om een magneetveld op de nanometer nauwkeurig te detecteren, maar ook om de sterkte ervan te bepalen. Dat maakt interessante toepassingen mogelijk.

De minuscule diamantnaalden zijn bijvoorbeeld geschikt om de kwaliteit van harde schijven te controleren. Op de dicht opeengepakte opslagmedia komen altijd kleine fouten voor. De kwantumsensor kan de defecte gegevenssegmenten detecteren, zodat ze kunnen worden uitgesloten tijdens het schrijf- en leesproces. Dit vermindert de uitval, die snel toeneemt met toenemende miniaturisatie, en verlaagt de productiekosten.

Medische toepassing

Er zijn veel meer toepassingen voor de kleine sensor, omdat zwakke magnetische velden overal te vinden zijn, zelfs in de hersenen. Wanneer elektronen bewegen, wordt een magnetisch veld gecreëerd. Dus als wij denken of voelen, veroorzaken de hersengolven magnetische velden. Medici willen deze activiteiten lokaliseren om die gebieden van de hersenen te volgen die actief zijn in bepaalde activiteiten of gevoelens. Hiertoe kunnen ze de stromen direct meten met elektroden, maar krijgen ze onnauwkeurige gegevens.

Betere resultaten worden verkregen door metingen van het magnetisch veld. De sensoren die hiervoor nu nog worden gebruikt, hebben echter één nadeel: ze moeten worden gekoeld met vloeibare stikstof. De nieuwe technologie met de extreem thermisch geleidende diamant daarentegen werkt op kamertemperatuur, zonder koeling.

Voor deze toepassing zou men echter geen fijne naalden gebruiken, maar plaatjes waarop talrijke stikstof-vacatures zijn opgenomen. Elk centrum maakt een pixel, wat resulteert in een gedetailleerd beeld. Op dit moment is het team echter vooral geïnteresseerd in het onderzoeken en verbeteren van het ‘hightech materiaal’: diamant. De toepassing ervan in kwantumsensoren is een veelbelovend begin.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven