Smartfony mogą pewnego dnia stać się przenośnymi czujnikami kwantowymi dzięki nowemu podejściu opartemu na skali chipów, które wykorzystuje organiczne diody elektroluminescencyjne (OLED) do obrazowania pól magnetycznych, co ma istotne implikacje dla zastosowań w opiece zdrowotnej i przemyśle.

Naukowcy z UNSW z ARC Center of Excellence in Exciton Science wykazali, że diody OLED, rodzaj materiału półprzewodnikowego powszechnie spotykanego w telewizorach z płaskim ekranem, ekranach smartfonów i innych wyświetlaczach cyfrowych, można wykorzystać do mapowania pól magnetycznych.

Najnowsze badania, prowadzone przez dr Ruganga Genga i profesora Dane’a McCamey z UNSW School of Physics, zostały szczegółowo opisane w Komunikacja natury.

„Nasze odkrycia pokazują, że OLED, technologia dostępna na rynku, może być wykorzystywana nie tylko do wyświetlania i oświetlenia, ale także do wykrywania kwantowego i obrazowania pola magnetycznego poprzez zintegrowanie małego kawałka elektroniki mikrofalowej” – mówi pierwszy autor badania, dr Rugang Geng.

„Jeśli ta technologia zostanie odpowiednio rozwinięta, ludzie mogliby po prostu używać swoich smartfonów do mapowania otaczających ich pól magnetycznych, na przykład do wykrywania wad diamentów lub biżuterii. Ma to również zastosowanie w przemyśle, takie jak wykrywanie defektów w materiałach budowlanych lub jako czujnik biomedyczny”.

Jak działa ta technologia?

Diody OLED to nowa technologia wyświetlania, która zapewnia jedne z najlepszych ekranów w smartfonach i telewizorach.

„Podstawowa zasada działania urządzenia OLED polega na tym, że po przyłożeniu napięcia elektrony i dziury są wprowadzane do różnych warstw urządzenia”, mówi dr Geng. „Kiedy elektrony i dziury spotykają się w warstwie centralnej, tworzą ekscytony, które emitują światło widzialne podczas rozpadu, co sprawia, że ​​diody OLED są przydatne jako wyświetlacze i źródła światła”.

Ten proces emisji światła wykorzystuje charakterystykę ładunku elektronów, które mają ładunek ujemny, oraz dziur, które mają ładunek dodatni. Oba mają również inną wewnętrzną właściwość zwaną spinem.

Ten spin jest skierowany w górę lub w dół i jest bardzo wrażliwy na zewnętrzne pola magnetyczne. W rzeczywistości może „przerzucać” (lub zmieniać kierunek) w warunkach rezonansu magnetycznego.

„Mierząc zmianę sygnału, zarówno prądu elektrycznego, jak i emisji światła, indukowaną przez taki przerzutnik, jesteśmy w stanie wykryć siłę dowolnego pola magnetycznego, na które wystawione jest urządzenie” – mówi dr Geng.

Czytaj więcej: Kubit typu „flip-flop”: realizacja nowego bitu kwantowego w krzemie sterowanego sygnałami elektrycznymi

Poprzez zintegrowanie OLED z rezonatorem mikrofalowym, dr Geng, prof. McCamey i ich współpracownicy wygenerowali niewielkie oscylujące pole magnetyczne w urządzeniu OLED, dzięki czemu każdy piksel ekranu OLED może działać jak mały czujnik pola magnetycznego.

„Nie byliśmy zaskoczeni wynikiem – dążymy do tego od kilku lat”, mówi prof. McCamey. „Byliśmy jednak zaskoczeni rozdzielczością obrazów, które mogliśmy wykonać – możemy zobaczyć szczegóły w skali submikronowej, podobnej do wielkości bakterii lub neuronu”.

Komercjalizacja i codzienne zastosowania

Te najnowsze badania stanowią kolejny krok w rozwoju sprzętu do obrazowania pola magnetycznego. Istniejący sprzęt do wykrywania kwantowego i obrazowania pola magnetycznego jest zwykle duży i drogi, wymagając albo dodatkowej mocy z lasera o dużej mocy, albo ekstremalnie niskich temperatur. W tych warunkach potencjał integracji urządzeń i skalowalność komercyjna są ograniczone.

Jednak nowa technika opracowana przez zespół może funkcjonować w skali mikroczipów i nie wymaga wkładu lasera, wykazując ogromny potencjał zastosowań w badaniach naukowych, przemyśle i medycynie.

Czytaj więcej: Inżynierowie kwantowi zaprojektowali nowe narzędzie do badania natury z niezwykłą czułością

„Następnie mamy nadzieję poprawić ogólną wydajność urządzenia, w tym zoptymalizować architekturę urządzenia i zbadać inne techniki, które mogą znacznie zwiększyć czułość pola”, mówi dr Geng.

„Rozważamy również współpracę z firmami zajmującymi się technologią OLED, ponieważ ich doświadczenie w przenoszeniu urządzeń z laboratorium do produktów komercyjnych pomoże przyspieszyć wdrażanie tej technologii”.