Duas equipes multidisciplinares com muitos dos mesmos pesquisadores estão desenvolvendo processos que permitem aos cientistas ver melhor a nanoescala e aproveitar as possibilidades do reino quântico.



Cada um dos dois projetos teve artigos publicados em revistas de pesquisa na mesma semana de maio e inclui professores e estudantes de pós-graduação de vários departamentos acadêmicos da Universidade de Nebraska-Lincoln - engenharia mecânica e de materiais, engenharia elétrica e de computação, química, física e astronomia.

Cada equipe é apoiada pela Emergent Quantum Materials and Technologies, ou EQUATE, um grupo patrocinado pelo estado de Nebraska de 20 professores de várias instituições para pesquisas que "orientam descobertas e aceleram descobertas de novos materiais e fenômenos quânticos emergentes".

“A abordagem multidisciplinar funciona para estes projetos porque permite que todos nos concentremos num aspecto que é vital para o seu sucesso”, disse Abdelghani Laraoui, professor assistente de engenharia mecânica e de materiais e investigador de ambas as equipas. “Esses projetos estão avançando no que é possível para a pesquisa quântica”.

A edição de 9 de maio do ACS Nano apresentou um artigo no qual os autores detalham sua nova técnica usando magnetometria baseada em vacância de nitrogênio para estudar as propriedades magnéticas de nanobastões cruzados de spin de ferro-triazol individuais e aglomerados de nanopartículas.

Estudos anteriores sobre essas moléculas magnéticas foram conduzidos principalmente em formato a granel (solução ou pó), dificultando o estudo de seu comportamento magnético individual devido ao seu fraco sinal magnético parasita.

Pesquisadores lançaram nanopartículas de triazol de ferro fundido em um substrato de diamante dopado com sensores quânticos ultrassensíveis. Quando um feixe de luz verde é disparado através do substrato, os NVs emitem fluorescência de uma luz vermelha em taxas variadas na presença dos nanobastões e nanopartículas. Essa mudança na fluorescência ilumina a área e permite que uma câmera de altíssima resolução, em função do campo magnético aplicado, frequência de micro-ondas e temperatura, rastreie os spins de ferro-triazol no nível individual das nanopartículas.

Laraoui disse que a pesquisa da equipe mostra que esta técnica melhora a capacidade de imagem para menos de 20 nanômetros – cerca de 5.000 vezes menor que um fio de cabelo humano – e talvez a sensibilidade para até 10 nanômetros.

Usando um “interruptor térmico” e um “ímã permanente”, disse Laraoui, a equipe foi capaz de controlar os estados de rotação de nanobastões individuais e regular tanto seus níveis de magnetismo quanto os campos magnéticos dispersos que eles criam. Esses campos dispersos são muito fracos e tornam mais difícil a medição usando técnicas tradicionais, como a microscopia de força magnética.

“Qualquer molécula possui componentes, incluindo metais de transição como o ferro, que são magnéticos, e o spin desses componentes se comporta de maneira diferente dependendo da temperatura”, disse Laraoui. "Em temperaturas mais baixas, os spins não têm sinal magnético porque se cancelam.

"Você pode controlar isso não apenas com a temperatura e um campo magnético, mas com a voltagem aplicada de forma a mudar os spins das moléculas magnéticas."

Laraoui disse que a técnica NV permitirá o estudo de fenômenos magnéticos e físicos inexplorados em escala nanométrica e provavelmente levará a avanços na detecção quântica, na eletrônica de spin molecular e em campos da medicina, como virologia e pesquisa em ciências do cérebro.

Os pesquisadores da segunda equipe usaram um material hospedeiro ultrafino emergente para aumentar o brilho dos emissores de fóton único em 200%. O artigo deles foi publicado na edição de 3 de maio da revista Advanced Optical Materials .

O nitreto de boro hexagonal (hBN), semelhante ao grafeno por ser tão fino que é considerado praticamente bidimensional, tornou-se um elemento altamente desejável para redes fotônicas quânticas integradas. No entanto, a baixa eficiência quântica da luz quântica hospedada em hBN – também conhecida como emissores de fóton único – é um desafio.

A equipe de Laraoui concentrou seus estudos nas propriedades de fóton único de estruturas nanofotônicas híbridas que são compostas de SPEs e nanocubos de prata que hospedam excitações coletivas de elétrons, também conhecidas como plasmons.

Os pesquisadores de Nebraska mostraram que quando um floco de hBN está em contato direto com nanocubos de prata plamônicos, uma forte e rápida emissão de luz de fóton único à temperatura ambiente cria um aumento duas vezes maior no tempo de vida e na intensidade da fluorescência do SPE.

“Esses SPEs fortes e rápidos obtidos em temperatura ambiente podem ser muito úteis para várias aplicações emergentes em comunicações ópticas quânticas e computação”, disse Laraoui. “Se você deseja quantificar a rede fotônica quântica ou melhorar as comunicações quânticas, agora você pode controlar as propriedades.”

"Os resultados provam que emissores quânticos de estado sólido à temperatura ambiente em hBN ou outros materiais bidimensionais de van der Waals podem ser plataformas ideais para fotônica quântica integrada."

Mais informações: Suvechhya Lamichhane et al, Magnetometria de vacância de nitrogênio de nanobastões cruzados de spin de Fe-Triazol individuais, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c01819
Mohammadjavad Dowran et al, Plasmon Enhanced Quantum Properties of Single Photon Emitters with Hybrid Hexagonal Boron Nitride Silver Nanocube Systems, Advanced Optical Materials (2023). DOI:10.1002/adom.202300392

Informações do diário: Materiais Ópticos Avançados , ACS Nano

Fornecido pela Universidade de Nebraska-Lincoln