Plataforma e mecanismo de medição. (A) Esquema de um nanofloco hexagonal de nitreto de boro (hBN) transferido para um stripline de micro-ondas Au modelado no isolador magnético Y3 Fe5 O12 (YIG) para medições de detecção quântica. (B e C) Imagens de microscópio óptico de um dispositivo hBN-YIG preparado e o floco hBN constituinte. A área de flocos de hBN pesquisada é delineada com linhas brancas tracejadas; barra de escala, 5 μm. Crédito:Avanços da Ciência (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk8495 Os sensores quânticos detectam as menores mudanças ambientais – por exemplo, um átomo reagindo a um campo magnético. À medida que estes sensores “lêem” os comportamentos únicos das partículas subatómicas, também melhoram dramaticamente a capacidade dos cientistas de medir e detectar mudanças no nosso ambiente mais amplo.
O monitoramento dessas pequenas mudanças resulta em uma ampla gama de aplicações – desde a melhoria da navegação e da previsão de desastres naturais até imagens médicas mais inteligentes e detecção de biomarcadores de doenças, detecção de ondas gravitacionais e comunicação quântica ainda melhor para compartilhamento seguro de dados.
Os físicos da Georgia Tech são pioneiros em novas plataformas de detecção quântica para auxiliar nesses esforços. O estudo mais recente da equipe de pesquisa, "Sensação de excitações de ondas de spin por defeitos de spin em nitreto de boro hexagonal de poucas camadas de espessura", foi publicado em Science Advances essa semana.
A equipe de pesquisa inclui os professores assistentes da Escola de Física Chunhui (Rita) Du e Hailong Wang (autores correspondentes) junto com outros pesquisadores da Georgia Tech Jingcheng Zhou, Mengqi Huang, Faris Al-matouq, Jiu Chang, Dziga Djugba e o professor Zhigang Jiang e seus colaboradores .
Uma plataforma ultrassensível
A nova pesquisa investiga a detecção quântica aproveitando centros de cores – pequenos defeitos dentro dos cristais (a equipe de Du usa diamantes e outros materiais em camadas 2D) que permitem que a luz seja absorvida e emitida, o que também confere ao cristal propriedades eletrônicas únicas.
Ao incorporar esses centros de cores em um material chamado nitreto de boro hexagonal (hBN), a equipe esperava criar um sensor quântico extremamente sensível – um novo recurso para o desenvolvimento de dispositivos de detecção transformadores de próxima geração.
Por sua vez, o hBN é particularmente atraente para detecção e computação quântica porque pode conter defeitos que podem ser manipulados com luz – também conhecidos como “qubits de spin opticamente ativos”.
Os defeitos de spin quântico no hBN também são muito sensíveis magneticamente e permitem aos cientistas “ver” ou “sentir” com mais detalhes do que outras técnicas convencionais. Além disso, a estrutura em forma de folha do hBN é compatível com ferramentas ultrassensíveis como nanodispositivos, tornando-o um recurso particularmente intrigante para investigação.
A pesquisa da equipe resultou em um avanço crítico na detecção de ondas de spin, diz Du, explicando que “neste estudo, fomos capazes de detectar excitações de spin que eram simplesmente inatingíveis em estudos anteriores”.
A detecção de ondas de spin é um componente fundamental da detecção quântica, porque esses fenômenos podem viajar por longas distâncias, tornando-os candidatos ideais para controle, comunicação e processamento de informações com eficiência energética.
"Pela primeira vez, demonstramos experimentalmente a detecção quântica bidimensional de van der Waals - usando hBN com poucas camadas de espessura em um ambiente do mundo real", explica Du, ressaltando o potencial que o material possui para detecção quântica precisa. "Mais pesquisas poderiam tornar possível detectar características eletromagnéticas em escala atômica usando centros de cores em finas camadas de hBN."
