Układy scalone składają się z coraz mniejszych elementów. Pojedyncze struktury magnetyczne w dyskach twardych mają wymiary 10×20 nanometrów. Są więc znacznie mniejsze niż np. wirus grypy, którego średnica wynosi od 80 do 120 nm. Tak małe struktury zbliżają się powoli do granic, poza którymi zaczynają obowiązywać prawa fizyki kwantowej.

Ultra-czyste diamenty produkowane w Fraunhofer IAF do zastosowań kwantowych.
Zdjęcie © Fraunhofer IAF

Naukowcy z Instytutu Fraunhofera Stosowanej Fizyki Ciała Stałego i Instytutu Badań nad Ciałem Stałym im. Maxa Plancka pracują nad kwantowym czujnikiem zdolnym do pomiaru miniaturowych pól magnetycznych w dyskach twardych przyszłej generacji. Umieszczony na syntetycznym diamentowym podłożu czujnik jest niewiele większy od atomu azotu.

Głowica dysku twardego

Diament ma wiele zalet, które czynią go pożądanym materiałem w przemyśle IT. Charakteryzuje się dużą stabilnością mechaniczna i chemiczną, po dodaniu doń atomów boru czy fosforu staje się półprzewodnikiem. Jest też świetnym materiałem do budowania układów optycznych. A przede wszystkim ma niezwykle duże przewodnictwo cieplne, co w połączeniu z siłą wiązań atomowych węgla daje gwarancję szybkiego rozpraszania ciepła.

Przez ostatnie dziesięciolecia naukowcy z Instytutu Fraunhofera udoskonalali technologię produkcji sztucznych diamentów. Ich masowa produkcja odbywa się w reaktorze plazmowym. Panują tam temperatury rzędu 800-900 stopni Celsjusza. Po wpuszczeniu do komory gazu na odpowiednich prostokątnych podłożach tworzą się warstwy diamentu o długości krawędzi od 3 do 8 milimetrów. Są one następne oddzielane od podłoża i polerowane za pomocą lasera.

Tworzenie diamentów na potrzeby czujników kwantowych wymaga jednak wyjątkowo czystego kryształu. Dlatego też dodatkowo udoskonalono proces produkcyjny i teraz metan, który trafia do komory plazmowej i staje się źródłem węgla do produkcji diamentów, jest dodatkowo filtrowany przez filtr cyrkonowy. Gaz musi być czysty pod względem izotopowym, gdyż tylko węgiel C12 ma spin o wartości 0, co jest wymagane, by móc umieścić na diamencie czujnik magnetyczny. Procesowi oczyszczania podlega też wodór używany w procesie produkcji diamentu. Następnie ultra czysty diament jest przygotowywany do pełnienia roli czujnika pola magnetycznego. Można do zrobić albo poprzez wprowadzenie pojedynczego atomu azotu w niezwykle cienki diamentowy czubek albo poprzez dodanie azotu pod koniec produkcji diamentu. Następnie taki diament jest ostrzony w strumieniu plazmy uzyskanej z tlenu. W ten sposób uzyskujemy niezwykle cienkie diamentowe ostrze podobne do tego wykorzystywanego w mikroskopie sił atomowych. Kluczem do sukcesu jest tutaj dodanie atomu azotu wraz z istniejącą obok dziurą w strukturze atomowej.

To właśnie para atom azotu – dziura działają jak wykrywacz pola magnetycznego, emitując światło w reakcji na światło lasera i mikrofale. Jeśli obok znajduje się magnes, emisja światła ulega zmianom. Zjawisko to nazwano spektroskopią rezonansu spinu elektronu. Pozwala ono na wykrywanie pól magnetycznych z precyzją liczoną w nanometrach, umożliwia też na określenie ich siły. To zaś otwiera całe spektrum zastosowań. Na przykład takie ostrze może zostać wykorzystane do monitorowania jakości dysku twardego. Dzięki temu mógłby na bieżąco wykrywać i wykluczać uszkodzone sektory dysku. To zaś pozwoli na zmniejszenie ilości błędów, które stają się coraz poważniejszym problemem w miarę postępów miniaturyzacji.
Miniaturowy czujnik może znaleźć szereg zastosowań, gdyż słabe pola magnetyczne są wszędzie, nawet w ludzkim mózgu. Dzięki nim moglibyśmy np. lepiej poznać jego budowę, sprawdzić, które części za co są odpowiedzialne.