カリフォルニア大学バークレー校は量子センサーを 3D プリントし、精密測定や生物学的イメージングなどの新たな用途を生み出します。

2023年11月2日、Antarctic Bearは、カリフォルニア大学バークレー校の研究者が量子センサー粉末の3Dプリントにおいて新たな進歩を遂げたことを知りました。量子センシングは大きな可能性を秘めた新興分野ですが、これらのナノスケールセンサー用の結晶基板の構築は困難であることが判明しています。現在、同大学の研究者らは、微視的環境における温度や磁場の変化を正確に検出できる複雑な3D構成に量子センシング粒子を構造化する新しい製造方法を開発しました。
画像クレジット: カリフォルニア大学バークレー校のカリフォルニア定量生命科学研究所のバイオ分子ナノテクノロジーセンターの研究者は、付加製造アプローチを使用して、量子センシング素子を含む小さなダイヤモンドを収容できる、高度にカスタマイズ可能な 3D 構造を製造しました。これらの印刷可能な量子センサーは室温で高感度測定を実行できるため、材料科学、生物学、化学における革新的なアプリケーションへの扉を開く可能性があります。

関連研究は、「量子センシングアプリケーションのための複雑な3次元マイクロスケール構造」と題する論文として、Nano Letters誌に掲載されました。グリゴロプロス氏と化学助教授のアショク・アジョイ氏がこの研究の共同主任研究者を務めた。共同筆頭著者には、ブランケンシップ氏と、アジョイ研究室およびローレンス・バークレー国立研究所の博士研究員であるザカリー・ジョーンズ氏が含まれています。共著者には、機械工学部のNaichen Zhao、Runxuan Li、Erin Suh、Alan Chen、および化学部のHarpreet Singh、Adrisha Sarkarが含まれます。

論文リンク: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c02251
この研究は、カリフォルニア大学バークレー校機械工学部のレーザー熱研究所が実施し、国立科学財団の資金提供を受けた。このプロジェクトの主な目的は、多光子リソグラフィーを使用して複雑なハイブリッド材料を設計、製造することだった。
「私たちの研究は、量子センサーと高度な積層造形技術を組み合わせることで、これまでは不可能だった新しいデザインを作り出すことができる可能性を示しています」と、カリフォルニア大学バークレー校の機械工学の大学院生で、この研究の共同筆頭著者であるブライアン・ブランケンシップ氏は述べた。「数年後には、この技術を使ってセンサーをマイクロ流体、電子、生物システムに統合し、これまで考えもしなかったさまざまな用途で量子センサーを使用する新たな道を切り開くことができるでしょう。」
「この新しい製造技術はカスタマイズを可能にするため、望ましい特性を持つ構造を正確に設計できます」と、カリフォルニア大学バークレー校機械工学教授で共同主任研究員のコスタス・グリゴロプロス氏は付け加えた。「これらの建築材料は、カスタマイズされた機械的応答を提供するように最適化されています。構造材料、組織工学、および光学機械システムへの応用のために、感知機能と作動機能を組み合わせています。」
量子センサーは原子と光の特性を利用して、磁場や電場、歪み、温度の微細な変化を測定します。現在、これらのセンサーは地球上で最も正確な時計のいくつかに使用され、GPS システムに電力を供給しており、神経科学を含む他の分野へのこれらのセンサーの応用に大きな関心が寄せられています。
△窒素空孔中心は、複雑な形状を持つ微細な 3D 構造に埋め込まれています。これらの構造を光学的に画像化することで、その内部の温度と磁場を測定することができます。写真提供: ブライアン・ブランケンシップ。
しかし、量子センサーをその純粋な実験室環境から取り出すのは難しいとグリゴロプロス氏は言う。「多くの量子センシングプラットフォームは、正常に機能するために氷点下数百度という極低温を必要とする」と彼は語った。「さらに、これらの材料は、非常にクリーンかつ完璧な結晶化を必要とすることが多く、多くの実用的用途での使用を妨げる可能性があります。」
この問題に対処するため、研究者らは付加製造技術を用いて、窒素空孔中心と呼ばれる量子センシング粒子を 3D 構成で構築しました。これらの窒素空孔中心は、ダイヤモンド内の単一の炭素原子が窒素原子に置き換えられ、隣接する炭素原子が空になったときに発生します。窒素空孔中心は室温で非常によく機能し、粒子であるにもかかわらず量子特性を保持するという点でユニークです。
「私たちのアプローチは、単結晶基板の構築に伴う課題を克服し、これらの窒素空孔中心は室温で確実に動作することができます」とブランケンシップ氏は述べた。「私たちは、改良された顕微鏡を使用することで、これらの構造内の温度と磁場を正確に測定できることを実証しました。」
ブランケンシップ氏によると、研究者たちはこの進歩が量子センシングの新たな可能性への道を開くだろうと楽観視している。「この技術により、既存のマイクロ流体チップ、高度な半導体デバイス、さらには細胞骨格にセンサー素子を印刷できるようになり、これらのシステムに高度な診断機能も提供できるようになりました」と同氏は述べた。「私たちの論文は温度と磁場の測定に焦点を当てていましたが、この研究は他の種類の精密測定にも拡張できると考えています。」

カリフォルニア大学バークレー校は量子センサーを 3D プリントし、精密測定や生物学的イメージングなどの新たな用途を生み出します。

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