p Mecânica quântica, a física que governa a natureza na escala atômica e subatômica, contém uma série de novos fenômenos físicos para explorar estados quânticos em nanoescala. Embora complicado, existem maneiras de explorar esses sistemas inerentemente frágeis e sensíveis para sensoriamento quântico. Uma tecnologia nascente em particular faz uso de defeitos pontuais, ou deslocamentos de um único átomo, em materiais em nanoescala, como nanopartículas de diamante, para medir campos eletromagnéticos, temperatura, pressão, frequência e outras variáveis ​​com precisão e exatidão sem precedentes. p A detecção quântica pode revolucionar o diagnóstico médico, permitir o desenvolvimento de novos medicamentos, melhorar o design de dispositivos eletrônicos e muito mais.

p Para uso em detecção quântica, o cristal de nanodiamante em torno do defeito pontual deve ser altamente perfeito. Qualquer desvio da perfeição, como átomos ausentes adicionais, tensão na estrutura cristalina do diamante, ou a presença de outras impurezas, afetará adversamente o comportamento quântico do material. Nanodiamonds altamente perfeitos também são muito caros e difíceis de fazer.

p Uma alternativa mais barata, dizem os pesquisadores do Laboratório Nacional Argonne e da Universidade de Chicago, é pegar cheio de defeitos, baixa qualidade, diamantes fabricados comercialmente, e então "cure-os".

p Em um artigo publicado esta semana em Materiais APL , da AIP Publishing, os pesquisadores descrevem um método para curar nanocristais de diamante em condições de alta temperatura, enquanto visualiza os cristais em três dimensões usando uma técnica de imagem de raios-X.

p "A detecção quântica é baseada nas propriedades únicas de certos defeitos pontuais opticamente ativos em nanoestruturas de semicondutores, "disse F. Joseph Heremans, um cientista da equipe do Argonne National Laboratory e co-autor do artigo.

p Esses defeitos, como os centros de vacância de nitrogênio (NV) em diamante, são criados quando um átomo de nitrogênio substitui um átomo de carbono adjacente a um vazio na estrutura da rede do diamante. Eles são extremamente sensíveis ao ambiente, tornando-os sondas úteis de temperaturas locais, bem como campos elétricos e magnéticos, com uma resolução espacial mais de 100 vezes menor que a espessura de um fio de cabelo humano.

p Porque os diamantes são biologicamente inertes, sensores quânticos baseados em nanopartículas de diamante, que pode operar em temperatura ambiente e detectar vários fatores simultaneamente, pode até ser colocado dentro de células vivas, onde eles poderiam, de acordo com Heremans, "sistemas de imagem de dentro para fora."

p Heremans e seus colegas, incluindo Wonsuk Cha e Paul Fuoss de Argonne, bem como David Awschalom da University of Chicago, começou a mapear a distribuição da cepa de cristal em nanodiamantes e rastrear a cura dessas imperfeições, submetendo-as a altas temperaturas, até 800 graus Celsius em um ambiente de hélio inerte.

p "Nossa ideia do processo de 'cura' é que as lacunas na rede são preenchidas à medida que os átomos se movem quando o cristal é aquecido a altas temperaturas, melhorando assim a homogeneidade da estrutura cristalina, "disse Stephan Hruszkewycz, também cientista da equipe de Argonne e autor principal do artigo.

p Esta cicatrização de nanodiamantes foi monitorada com um método de microscopia 3-D chamado imagem de difração coerente de Bragg, realizada submetendo os cristais a um feixe de raios-X coerente na Fonte Avançada de Fótons em Argonne. O feixe de raios-X que espalha os nanodiamantes foi detectado e usado para reconstruir a forma 3-D do nanocristal, "e, mais importante, o estado de tensão do cristal, "Hruszkewycz disse.

p Os pesquisadores descobriram que os nanodiamantes "encolhem" durante o processo de recozimento de alta temperatura, e supor que isso ocorre por causa de um fenômeno chamado grafitização. Este fenômeno ocorre quando a superfície do material é convertida do arranjo de rede de diamante normal em grafite, uma única camada de átomos de carbono dispostos como arame de galinha.

p O estudo marca a primeira vez que a imagem de difração coerente de Bragg demonstrou ser útil em temperaturas tão altas, uma capacidade que, Hruszkewycz disse, "permite a exploração de mudanças estruturais em importantes materiais nanocristalinos em altas temperaturas que são difíceis de acessar com outras técnicas de microscopia."

p Hruszkewycz acrescentou que a pesquisa representa "um passo significativo para o desenvolvimento de métodos escaláveis ​​de processamento de baixo custo, nanodiamantes comerciais para detecção quântica e processamento de informações. "