Nanoscale sensing and actuation with quantum emitters in 2D and 3D semiconductors

使用 2D 和 3D 半导体中的量子发射器进行纳米级传感和驱动

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2021-03059
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 2.4万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2021-01-01 至 2022-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Precision measurements power scientific and technological progress, whether the intent is to navigate, coordinate, or diagnose and medicate. This is particularly true at the (sub)nanoscale where being able to probe relevant phenomena offers a wealth of opportunities-from monitoring biological processes in living cells for tailored diagnostic and therapeutics to measuring the chemical potential and transport of spin systems for low dissipation nanoelectronics. The aim of this research program is the development of a multimodal, quantum-enabled platform for nanoscale transduction. The platform is based on nano-transducers capable of both sensing and manipulating their surrounding environment with high sensitivity and spatial resolution. The nano-transducers are based on single-photon emitters in 3D and 2D semiconductor nanohosts, specifically nanodiamond and 2D hexagonal boron-nitride. The emitters are foreign atom-like inclusions embedded in the crystalline matrix of the nanohosts. They emit single photons of visible-to-near-infrared light, with intensity and spectral features dependent on external stimuli and tied to their quantum properties, e.g. their spin state. Detection, manipulation and actuation of the nano-transducers is optical, through a heavily modified, custom-built confocal/trapping setup which will be designed and built as part of the research program. It will combine optical trapping capabilities (for manipulation in 3D space), single photon spectroscopy (for imaging/detection) and microwave field control (for target sensing). The platform will be the workhorse for a series of investigations both fundamental and practical in biomedicine, environmental science and quantum optics. We will perform target imaging and nanothermometry measurements in biological environments with focus on the effect of heat stressors to, e.g., gene expression of heat shock proteins. We will investigate optical refrigeration via anti-Stokes laser excitation of quantum emitters in nanoparticles to, for instance, trigger/suspend biomolecular processes, or induce highly-localized water phase transitions (ice formation) at the micro and nano scales. We will build on our recent discovery of spin-defects in hexagonal boron-nitride and study their fundamental properties and their use as sensors in, e.g., nanoscale magnetometry. This program builds on CFI-supported infrastructure, with NSERC supported HQP and operating funds, and will be one-of-a-kind in Ontario and Canada. The platform and research program will benefit the country by expanding the national expertise in quantum-based sensing, and by fostering training of graduates for employment in a variety of fields-a top priority of Canada's innovation mission. Building upon Dr Bradac's extended network of partners, it will also grow local, national and international collaborations which will establish Canada's position in research areas ranging from nanomaterials to biomedicine and quantum metrology.
精确测量推动科学和技术进步,无论其目的是导航、协调还是诊断和定位。这在纳米尺度下尤其如此,在纳米尺度下能够探测相关现象提供了大量的机会,从监测活细胞中的生物过程用于定制的诊断和治疗,到测量化学势和自旋系统的运输用于低耗散纳米电子学。这项研究计划的目的是开发一个多模态的,量子使能的纳米级转导平台。该平台基于纳米传感器,能够以高灵敏度和空间分辨率感测和操纵周围环境。纳米传感器基于3D和2D半导体纳米主体中的单光子发射器,特别是纳米金刚石和2D六方氮化硼。发射体是嵌入在纳米主体的晶体基质中的外来原子状夹杂物。它们发射可见光至近红外光的单光子,其强度和光谱特征取决于外部刺激,并与其量子特性有关,例如其自旋状态。纳米传感器的检测、操作和驱动是光学的,通过大量修改的、定制的共聚焦/捕获装置,该装置将作为研究计划的一部分设计和建造。它将结合联合收割机光学捕获能力(用于3D空间操作)、单光子光谱学(用于成像/探测)和微波场控制(用于目标传感)。该平台将成为生物医学、环境科学和量子光学领域一系列基础和实践研究的主力。我们将在生物环境中进行目标成像和纳米测温测量,重点关注热应激源的影响,例如,热休克蛋白的基因表达。我们将通过纳米颗粒中量子发射体的反斯托克斯激光激发来研究光制冷,例如,触发/暂停生物分子过程,或在微米和纳米尺度上诱导高度局部化的水相变(冰形成)。我们将建立在我们最近发现的六方氮化硼中的自旋缺陷的基础上,并研究它们的基本性质及其作为传感器的用途,例如,纳米级磁力测量该计划建立在CFI支持的基础设施上,由NSERC支持HQP和运营资金,并将在安大略和加拿大独一无二。该平台和研究计划将通过扩大国家在量子传感领域的专业知识,并促进对毕业生在各个领域就业的培训(这是加拿大创新使命的首要任务),使国家受益。在Bradac博士扩展的合作伙伴网络的基础上,它还将发展地方、国家和国际合作,这将确立加拿大在从纳米材料到生物医学和量子计量学等研究领域的地位。

项目成果

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Bradac, Carlo其他文献

Effects of microstructure and growth conditions on quantum emitters in gallium nitride
  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 作者:
    Bradac, Carlo;Gao, Weibo;Aharonovich, Igor
  • 通讯作者:
    Aharonovich, Igor

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  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 2.4万
  • 项目类别:
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知道了