Pesquisadores descobriram recentemente que a força do campo magnético necessária para eliciar um processo de mecânica quântica particular, como fotoluminescência e a capacidade de controlar estados de spin com campos eletromagnéticos (EM), corresponde à temperatura do material. Com base nesta descoberta, os cientistas podem determinar a temperatura de uma amostra com uma resolução de um mícron cúbico medindo a intensidade do campo em que esse efeito ocorre. O sensor de temperatura é parte integrante da maioria das indústrias, processos eletrônicos e químicos, portanto, uma resolução espacial maior poderia beneficiar atividades comerciais e científicas. A equipe relata suas descobertas em AIP Advances .

Em diamantes, átomos de nitrogênio podem substituir átomos de carbono; quando isso ocorre próximo a vagas na rede cristalina, ele produz propriedades quânticas úteis. Essas vagas podem ter carga negativa ou neutra. Os centros de vacância com carga negativa também são fotoluminescentes e produzem um brilho detectável quando expostos a certos comprimentos de onda de luz. Os pesquisadores podem usar um campo magnético para manipular os spins dos elétrons nas vacâncias, que altera a intensidade da fotoluminescência.

Uma equipe de pesquisadores russos e alemães criou um sistema que pode medir temperaturas e campos magnéticos em resoluções muito pequenas. Os cientistas produziram cristais de carboneto de silício com vacâncias semelhantes aos centros de vacância de nitrogênio nos diamantes. Então, eles expuseram o carboneto de silício à luz laser infravermelha na presença de um campo magnético constante e registraram a fotoluminescência resultante.

Campos magnéticos mais fortes facilitam a transferência de elétrons nessas lacunas entre estados de spin de energia. Em uma força de campo específica, a proporção de elétrons com spin 3/2 muda rapidamente, em um processo denominado anticrossing. O brilho da fotoluminescência depende da proporção de elétrons em vários estados de spin, para que os pesquisadores pudessem medir a força do campo magnético monitorando a mudança no brilho.

Adicionalmente, a luminescência muda abruptamente quando os elétrons nestes espaços vazios sofrem relaxamento cruzado, um processo onde um sistema quântico excitado compartilha energia com outro sistema em seu estado fundamental, trazendo ambos para um estado intermediário. A intensidade do campo necessária para induzir a relaxação cruzada está diretamente ligada à temperatura do material. Variando a força do campo, e registrar quando a fotoluminescência mudou repentinamente, os cientistas puderam calcular a temperatura da região do cristal sob investigação. A equipe ficou surpresa ao descobrir que os efeitos quânticos permaneceram mesmo em temperatura ambiente.

"Este estudo nos permite criar sensores de temperatura e campo magnético em um dispositivo, "disse Andrey Anisimov, do Ioffe Physical-Technical Institute da Russian Academy of Sciences e um dos autores do artigo. Além disso, sensores podem ser miniaturizados para 100 nanômetros, que permitiria seu uso na indústria espacial, observações geofísicas e até sistemas biológicos. "Em contraste com o diamante, carboneto de silício já é um material semicondutor disponível, e diodos e transistores já são feitos a partir dele, "Anisimov disse.