Können Sie sich eine Laptop-Festplatte in der Größe eines Reiskorns vorstellen? Skyrmion, eine mysteriöse Quasiteilchenstruktur im Magnetfeld, könnte diese scheinbar undenkbare Idee Wirklichkeit werden lassen, mit mehr Speicherplatz und schnelleren Datenübertragungsraten für dieses „Reiskorn“. Wie kann man diese seltsame Teilchenstruktur beobachten? Der CIQTEK Quantum Diamond Atomic Force Microscope (QDAFM), basierend auf dem Stickstoff-Leerstellen-Zentrum (NV) in der Diamant- und AFM-Scanning-Bildgebung, kann Ihnen die Antwort geben. Was ist Skyrmion? Mit der rasanten Entwicklung großflächiger integrierter Schaltkreise, der Chipverarbeitung bis hin zur Nanometerskala, wird der Quanteneffekt nach und nach hervorgehoben und das „Mooresche Gesetz“ stößt an physikalische Grenzen. Gleichzeitig ist bei einer so hohen Dichte integrierter elektronischer Komponenten auf dem Chip das Problem der Wärmeableitung zu einer großen Herausforderung geworden. Die Menschen brauchen dringend eine neue Technologie, um den Engpass zu überwinden und die nachhaltige Entwicklung integrierter Schaltkreise voranzutreiben. Spintronische Geräte können eine höhere Effizienz bei der Informationsspeicherung, -übertragung und -verarbeitung erreichen, indem sie die Spineigenschaften von Elektronen ausnutzen, was ein wichtiger Weg ist, das oben genannte Dilemma zu durchbrechen. In den letzten Jahren wird erwartet, dass topologische Eigenschaften magnetischer Strukturen und die damit verbundenen Anwendungen die Informationsträger spintronischer Geräte der nächsten Generation sein werden, was einer der aktuellen Forschungsschwerpunkte auf diesem Gebiet ist. Das Skyrmion (im Folgenden als magnetisches Skyrmion bezeichnet) ist eine topologisch geschützte Spinstruktur mit Quasiteilcheneigenschaften und als besondere Art magnetischer Domänenwand weist seine Struktur eine Magnetisierungsverteilung mit Wirbeln auf. Ähnlich wie bei der magnetischen Domänenwand gibt es auch im Skyrmion einen magnetischen Momentumschlag, aber im Gegensatz zur Domänenwand ist das Skyrmion eine Wirbelstruktur und sein magnetischer Momentumschlag erfolgt von der Mitte nach außen, und die häufigsten sind vom Bloch-Typ Skyrmionen und Skyrmionen vom Neel-Typ. Abbildung 1: Schematische Darstellung der Struktur des Skyrmions. (a) Skyrmionen vom Neel-Typ (b) Skyrmionen vom Bloch-Typ Das Skyrmion ist ein natürlicher Informationsträger mit hervorragenden Eigenschaften wie einfacher Handhabung, einfacher Stabilität, geringer Größe und hoher Fahrgeschwindigkeit. Daher wird erwartet, dass die auf Skyrmionen basierenden elektronischen Geräte die Leistungsanforderungen für zukünftige Geräte in Bezug auf Nichtflüchtigkeit, hohe Kapazität, hohe Geschwindigkeit und geringen Stromverbrauch erfüllen. Was sind die Anwendungen von Skyrmionen? Skyrmion-Rennstrecken-Speicher Beim Racetrack-Speicher werden magnetische Nanodrähte als Spuren und magnetische Domänenwä...
Mehr sehenWussten Sie, dass Licht Töne erzeugen kann? Im späten 19. Jahrhundert entdeckte der Wissenschaftler Alexander Graham Bell (der als einer der Erfinder des Telefons gilt) das Phänomen, dass Materialien Schallwellen erzeugen, nachdem sie Lichtenergie absorbiert haben, was als photoakustischer Effekt bekannt ist. Alexander Graham Bell Bildquelle: Sina Technology Nach den 1960er Jahren kamen mit der Entwicklung der Technologie zur Erkennung schwacher Signale hochempfindliche Mikrofone und piezoelektrische Keramikmikrofone auf den Markt. Wissenschaftler haben eine neue spektroskopische Analysetechnik entwickelt, die auf dem photoakustischen Effekt basiert – die photoakustische Spektroskopie, die zur Erkennung von Substanzen in Proben und ihrer spektroskopischen thermischen Eigenschaften verwendet werden kann und zu einem leistungsstarken Werkzeug für die physikalisch-chemische Forschung an anorganischen und organischen Verbindungen, Halbleitern, Metallen und Polymermaterialien wird , usw. Wie können wir Licht dazu bringen, Klang zu erzeugen? Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, fällt eine von einem Monochromator modulierte Lichtquelle oder ein gepulstes Licht, beispielsweise ein gepulster Laser, auf eine photoakustische Zelle. Das in der photoakustischen Zelle zu messende Material absorbiert Lichtenergie, und die Absorptionsrate variiert mit der Wellenlänge des einfallenden Lichts und dem Material. Dies ist auf die unterschiedlichen Energieniveaus der in den verschiedenen Materialien enthaltenen Atommoleküle zurückzuführen und die Absorptionsrate des Lichts durch das Material erhöht sich, wenn die Frequenz ν des einfallenden Lichts nahe am Energieniveau hν liegt. Die Atommoleküle, die nach der Absorption von Licht auf höhere Energieniveaus springen, bleiben nicht auf den höheren Energieniveaus; Stattdessen neigen sie dazu, Energie freizusetzen und in den niedrigsten Grundzustand zurückzukehren, wo die freigesetzte Energie oft als thermische Energie erscheint und dazu führt, dass sich das Material thermisch ausdehnt und sein Volumen ändert. Wenn wir das Volumen eines Materials einschränken, indem wir es beispielsweise in eine photoakustische Zelle packen, führt seine Ausdehnung zu Druckänderungen. Nach einer periodischen Modulation der Intensität des einfallenden Lichts ändern sich auch Temperatur, Volumen und Druck des Materials periodisch, was zu einer erkennbaren mechanischen Welle führt. Diese Schwingung kann von einem empfindlichen Mikrofon oder einem piezoelektrischen Keramikmikrofon erfasst werden, was wir als photoakustisches Signal bezeichnen. Prinzipschaltbild Wie misst ein Lock-in-Verstärker photoakustische Signale? Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das photoakustische Signal durch ein viel kleineres Drucksignal erzeugt wird, das aus sehr geringer Wärme (freigesetzt durch atomare oder molekulare Entspannung) umgewandelt wird. Die Erkennung solch extrem schwacher Signale ist o...
Mehr sehenPaläomagnetismus ist eine interdisziplinäre Disziplin zwischen Geologie, Physik und Geophysik. Der Paläomagnetismus untersucht im Allgemeinen die Richtung und Stärke des Erdmagnetfelds, den Planetenstart und sein Entwicklungsmuster während geologischer Perioden, indem er die natürliche Restmagnetisierungsintensität von Gesteinen oder antiken Artefakten misst. Gesteine sind eine Kombination aus natürlichen Mineralien und ihr Restmagnetismus stammt im Allgemeinen von ferromagnetischen Mineralien in Gesteinen, die primären und sekundären remanenten Magnetismus enthalten. Der sogenannte primäre remanente Magnetismus bezieht sich auf die bei der Gesteinsbildung aufgezeichneten Erdmagnetfeldinformationen. Im Gegensatz dazu wird der Restmagnetismus, der nach der Bildung von Gesteinen entsteht, als sekundäre Remanenz bezeichnet, wie sie beispielsweise Gesteine unter der Einwirkung äußerer Magnetfelder (z. B. natürliche Blitzeinschläge, Erosion durch fließendes Wasser und Sand) erhalten. Da der Paläomagnetismus die Eigenschaften des Erdmagnetfelds zum Zeitpunkt der Gesteinsbildung untersucht, wird die genaue Messung des primären remanenten Magnetismus zu einem wichtigen Forschungsinstrument. Derzeit wird der Gesteinsmagnetismus durch Messung des magnetischen Nettomoments großer Proben von Millimeter- bis Zentimetergröße analysiert. Zu den gängigen Instrumenten für wissenschaftliche Analysen gehören supraleitende Petrographen und vibrierende Probenmagnetometer. Im Submikronbereich sind geologische Proben jedoch in der Regel inhomogen in Mineralogie und Textur, wobei nur ein kleiner Anteil ferromagnetischer Partikel eine Restmagnetisierung aufweist. Daher erfordert die Charakterisierung des Gesteinsmagnetismus in diesem Zusammenhang eine Technik, die Magnetfelder im Nanobereich des Raums und mit hoher Empfindlichkeit abbilden kann. Beispiele hierfür sind die Rastersupraleitungsmikroskopie (SQUID), die magnetoresistive Mikroskopie und die Hall-Mikroskopie, die weit verbreitet sind. (a) Quantendiamantmikroskopie an der Harvard University (b) Messung der Restmagnetisierung in geologischen Proben Im Jahr 2011 zeigten Forscher, dass chromatische Kerne mit Stickstofffehlstellen (kurz NV-chromatische Kerne) in Diamant für die magnetische Bildgebung im Submikronbereich verwendet werden können. Im Jahr 2017 stellten RL Walsworth et al. an der Harvard University nutzte ein selbstgebautes Quantendiamantmikroskop auf Basis von NV-chromatischen Kernen, um eine Abbildung von Gesteinsmagnetfeldern mit einer metrischen räumlichen Auflösung von 5 µm und einem Sichtfeldbereich von 4 mm zu erreichen. Durch Verringerung des Abstands zwischen Mit dem Diamanten und der Probe (≤ 10 um) wurde eine magnetische Momentenempfindlichkeit von 10 -16 Am 2 erreicht, die mit den gängigen Geräten wie SQUID, magnetoresistivem Mikroskop und Hall-Mikroskop vergleichbar ist und diese sogar übertrifft. Darüber hinaus bietet das Quantendiamantmik...
Mehr sehenDie Erkennung und Modulation einzelner Quantenzustände und die Bildgebungstechnologie im molekularen Maßstab sind wichtige Bereiche bei der Entwicklung von Präzisionsspektroskopieinstrumenten. Mit der eingehenden Erforschung der magnetischen Detektionstechnologie produzierte und entwickelte CIQTEK unabhängig eine Quantendiamant-Einzelspinspektroskopie, die auf der spektroskopischen Technologie des Stickstoff-Leerstellensystems in dotiertem Diamant basiert, die über einen extrem hohen magnetischen Detektionsinstinkt verfügt und eine breite und wichtige Anwendung findet Perspektiven in verschiedenen Disziplinen wie Physik, Chemie, Biologie, Materialien und Medizin [1-11]. Entwicklung der Magnetometrie-Technologie Abbildung 1: Vergleich der Indikatoren verschiedener Magnetometrietechniken Die Spin-Magnetresonanz-Technologie ist bei weitem eine der am weitesten entwickelten und am weitesten verbreiteten konventionellen Techniken. Spektrometer für die Magnetresonanzerkennung haben eine lange Entwicklungsgeschichte und es gibt verschiedene Methoden zur Magnetresonanzerkennung, die ihre eigenen Vor- und Nachteile haben. Abbildung 1 veranschaulicht die Verteilung mehrerer allgemeiner technischer Mittel wie Hall-Sensoren, SQUID-Detektoren und der Spin-Magnetresonanz hinsichtlich Empfindlichkeit und Auflösung [12]. Im Vergleich zu herkömmlichen Magnetometrietechniken weist die diamantbasierte Magnetresonanzmethode eine große Verbesserung bei beiden Kernmetriken auf, was eine starke Referenz für die Entwicklung einer Quantendiamant-Single-Spin-Spektroskopie darstellt. Hall-Sensoren werden seit den 1950er Jahren häufig bei Magnetfeldmessungen im Labor eingesetzt. Diese Detektoren basieren auf dem Hall-Effekt zur direkten Messung externer Magnetfelder [13]. Wenn sich die Richtung des Magnetfelds von der Richtung des Stroms in der Schleife unterscheidet, werden die Elektronen im Leiter aufgrund der Lorentzkraft abgelenkt und es entsteht eine Potentialdifferenz, durch die die Stärke des Magnetfelds direkt gemessen wird . Magnetfeldsonden bestehen hauptsächlich aus Halbleiterkristallen, die zu monolithischen integrierten Schaltkreisen verarbeitet werden können, die stoßfest und einfach zu verwenden sind, aber nicht genau genug sind. Das supraleitende Quanteninterferometer (SQUID) ist ein auf Josephson-Kontakten basierender Magnetflusssensor [14], der schwache magnetische Signale messen kann, indem er die Variation der Spannung am Josephson-Kontakt mit dem externen Magnetfluss in der geschlossenen Schleife verwendet. In den 1960er Jahren entwickelte Robert et al. SQUID wurde erfolgreich entwickelt. Solche Magnetometrietechniken weisen eine hohe magnetische Erkennungsempfindlichkeit auf, das Instrument muss jedoch in einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen betrieben werden und ist teuer. Die mikroskopische Magnetdetektion auf Basis des Diamantsystems ist die neue Methode zur Magnetresonanzdetektion. Die Techn...
Mehr sehenGenerell gilt: Je besser das Gedächtnis eines Menschen ist, desto mehr Informationen kann er integrieren und verarbeiten. Beim Quantencomputing gilt: Je länger sich ein Quantenbit einen Quantenzustand „merken“ kann, desto mehr Berechnungen kann es durchführen. Das „Gedächtnis“ des Quantencomputings kann mit der Kohärenzzeit verglichen werden. Was ist Kohärenzzeit? Kohärenzzeiten sind ein wichtiger Indikator für die Qualität eines Quantenbits. Sie geben an, wie lange ein Quantenbit in einem Überlagerungszustand verbleiben kann. Je länger die Kohärenzzeit, desto mehr Berechnungen kann ein Quantencomputer durchführen. Kohärenzzeit ist vereinfacht gesagt auch die „Arbeitszeit“ , die ein Quantencomputer für Berechnungen nutzen kann. Derzeit hat das Ionenfallen-Quantencomputing einen klaren Vorteil bei der Realisierung langer Kohärenz. Was ist die Schwierigkeit der langen Kohärenz? Quantenbits in den meisten Quantencomputerrouten sind sehr anfällig für Störungen aus der Umgebung (Temperatur, Lärm und sogar kosmische Strahlung), und der Versuch, ihre Überlagerung und Verschränkung über längere Zeiträume aufrechtzuerhalten, ist genauso schwierig wie der Versuch, eine Gruppe von Bits aufrechtzuerhalten Aktive Kätzchen in der Schlange. Die Herstellung des idealen Quantenbits ist auch deshalb eine Herausforderung, weil es physikalische Einschränkungen gibt, wie etwa die Art der Materialien und den Herstellungsprozess, die zu unvollkommenen Quantenbits führen können. Dies ist wie die Anwesenheit einer aktiven Katze oder sogar eines Hundes inmitten einer Gruppe gut erzogener Katzen, was die Kohärenzzeit stark beeinflussen kann. T1 und T2, wichtige technologische Kennzahlen im Quantencomputing Bei der Untersuchung der Kohärenzzeit im Quantencomputing konzentrieren wir uns häufig auf zwei Parameter: die T1-Zeit und die T2-Zeit (T1-Zeit und T2-Zeit). Es handelt sich um unterschiedliche Sichtweisen auf die Wirkungsdauer eines Quantenbits. Die T1-Zeit bestimmt, wie lange Sie zwischen Zustand 1 und Zustand 0 eines Quantenbits unterscheiden können. Wenn ein Quantenbit auf ein hohes Energieniveau (angeregten Zustand) angeregt wird, ähnlich wie bei einem klassischen Bit, das von 0 auf 1 geht. Bei einem klassischen Bit kann der 1-Zustand relativ leicht beibehalten werden, bei einem Quantenbit kehrt er jedoch zu diesem Zustand zurück innerhalb einer bestimmten Zeitspanne einen niedrigeren Energiezustand erreichen. Diesmal ist die Zeit der Energieentspannung. Während der T1-Zeit kehrt ein Quantenbit von einem Zustand hoher Energie in einen Zustand niedrigerer Energie zurück, wechselt also von 1 zurück auf 0. Das bedeutet, dass das Quantenbit die Information, die es trägt, verliert. Die T2-Zeit hingegen stellt die Zeit dar, um die Phaseninformation im Überlagerungszustand aufrechterhalten zu können ; Wenn die T2-Zeit kurz ist, kann sich der Bitüberlagerungszustand in einen anderen Überlagerungszustand entwickeln oder sogar aufhören, ein Überlagerungszust...
Mehr sehenWas ist antiferromagnetisches Material? Abbildung 1: Magnetische Momentanordnung in Antiferromagneten Die gemeinsamen Eigenschaften von Eisen sind Ferromagnetismus, Ferroelektrizität und Ferroelastizität. Materialien mit zwei oder mehr Eiseneigenschaften gleichzeitig werden als multiferroische Materialien bezeichnet. Multiferroika haben normalerweise starke Eisenkopplungseigenschaften, d. h. eine Eiseneigenschaft des Materials kann eine andere Eiseneigenschaft modulieren, beispielsweise durch die Verwendung eines angelegten elektrischen Felds, um die ferroelektrischen Eigenschaften des Materials zu modulieren und so die ferromagnetischen Eigenschaften des Materials zu beeinflussen. Es wird erwartet, dass solche multiferroischen Materialien die nächste Generation elektronischer Spingeräte darstellen. Unter diesen wurden antiferromagnetische Materialien umfassend untersucht, da sie eine gute Robustheit gegenüber dem angelegten Magnetfeld aufweisen. Antiferromagnetismus ist eine magnetische Eigenschaft eines Materials, bei dem die magnetischen Momente antiparallel gestaffelt angeordnet sind und kein makroskopisches magnetisches Nettomoment aufweisen. Dieser magnetisch geordnete Zustand wird Antiferromagnetismus genannt. In einem antiferromagnetischen Material sind die Spins benachbarter Valenzelektronen tendenziell in entgegengesetzte Richtungen gerichtet und es wird kein Magnetfeld erzeugt. Antiferromagnetische Materialien sind relativ selten und die meisten von ihnen existieren nur bei niedrigen Temperaturen, wie z. B. Eisenoxid, Ferromanganlegierungen, Nickellegierungen, Seltenerdlegierungen, Seltenerdboride usw. Es gibt jedoch auch bei Raumtemperatur antiferromagnetische Materialien, wie z BiFeO3, das derzeit intensiv erforscht wird. Anwendungsaussichten antiferromagnetischer Materialien Das Wissen über Antiferromagnetismus ist hauptsächlich auf die Entwicklung der Neutronenstreuungstechnologie zurückzuführen, mit der wir die Anordnung der Spins in Materialien „sehen“ und so die Existenz von Antiferromagnetismus bestätigen können. Vielleicht hat der Nobelpreis für Physik die Forscher dazu inspiriert, sich auf antiferromagnetische Materialien zu konzentrieren, und der Wert des Antiferromagnetismus wurde nach und nach erforscht. Antiferromagnetische Materialien sind weniger anfällig für Ionisierung und Magnetfeldinterferenzen und haben Eigenfrequenzen und Zustandsübergangsfrequenzen, die um mehrere Größenordnungen höher sind als typische ferromagnetische Materialien. Antiferromagnetische Ordnung in Halbleitern lässt sich leichter beobachten als ferromagnetische Ordnung. Diese Vorteile machen antiferromagnetische Materialien zu einem attraktiven Material für die Spintronik. Die neue Generation magnetischer Direktzugriffsspeicher verwendet elektrische Methoden zum Schreiben und Lesen von Informationen auf Ferromagneten, was die Immunität von Ferromagneten verringern kann und einer stabilen Datenspeicherung n...
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