Los investigadores desarrollan un proceso para ver mejor los objetos en el ámbito de la nanoescala

17 de julio de 2023

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por Karl Vogel, Universidad de Nebraska-Lincoln

Un par de equipos multidisciplinarios con muchos de los mismos investigadores están desarrollando procesos que permiten a los científicos ver mejor la nanoescala y aprovechar las posibilidades del reino cuántico.

Cada uno de los dos proyectos tuvo artículos publicados en revistas de investigación en la misma semana de mayo e incluyen profesores y estudiantes investigadores de posgrado de varios departamentos académicos de la Universidad de Nebraska-Lincoln: ingeniería mecánica y de materiales, ingeniería eléctrica e informática, química, física y astronomía.

Cada equipo cuenta con el apoyo de Tecnologías y Materiales Cuánticos Emergentes, o EQUATE, una cohorte de 20 profesores de múltiples instituciones patrocinada por el estado de Nebraska para la investigación que "guía los descubrimientos y acelera los hallazgos de nuevos materiales y fenómenos cuánticos emergentes".

"El enfoque multidisciplinario funciona para estos proyectos porque nos permite a todos centrarnos en un aspecto que es vital para su éxito", afirmó Abdelghani Laraoui, profesor asistente de ingeniería mecánica y de materiales e investigador de ambos equipos. "Estos proyectos están avanzando en lo que es posible para la investigación cuántica".

La edición del 9 de mayo de ACS Nano presentó un artículo en el que los autores detallan su novedosa técnica utilizando magnetometría basada en vacantes de nitrógeno para estudiar las propiedades magnéticas de nanobarras y grupos de nanopartículas individuales de cruce de espín de hierro-triazol.

Los estudios anteriores sobre estas moléculas magnéticas se realizaron principalmente en un formato a granel (solución o polvo), lo que dificulta el estudio de su comportamiento magnético individual debido a su débil señal magnética parásita.

Los investigadores arrojaron nanopartículas de triazol de hierro sobre un sustrato de diamante dopado con sensores cuánticos ultrasensibles. Cuando se dispara un haz de luz verde a través del sustrato, las NV emiten una luz roja fluorescente a velocidades variables en presencia de nanobarras y nanopartículas. Este cambio en la fluorescencia ilumina el área y permite que una cámara de ultra alta resolución, en función del campo magnético aplicado, la frecuencia de microondas y la temperatura, rastree los espines de hierro-triazol a nivel de nanopartículas individuales.

Laraoui dijo que la investigación del equipo muestra que esta técnica mejora las capacidades de obtención de imágenes a menos de 20 nanómetros (aproximadamente 5.000 veces más pequeñas que un cabello humano) y tal vez la sensibilidad a tan solo 10 nanómetros.

Al utilizar un "interruptor térmico" y un "imán permanente", dijo Laraoui, el equipo pudo controlar los estados de giro de nanobarras individuales y regular tanto sus niveles de magnetismo como los campos magnéticos dispersos que crean. Estos campos perdidos son muy débiles y dificultan su medición mediante técnicas tradicionales, como la microscopía de fuerza magnética.

"Cualquier molécula tiene componentes, incluidos metales de transición como el hierro, que son magnéticos, y el giro de esos componentes se comporta de manera diferente dependiendo de la temperatura", dijo Laraoui. "A temperaturas más bajas, los espines no tienen señal magnética porque se cancelan entre sí.

"Esto se puede controlar no sólo con la temperatura y un campo magnético, sino también con un voltaje aplicado de manera que cambie los espines de las moléculas magnéticas".

Laraoui dijo que la técnica NV permitirá el estudio de fenómenos magnéticos y físicos inexplorados a escala nanométrica y probablemente conducirá a avances en la detección cuántica, la electrónica del espín molecular y campos de la medicina, como la virología y la investigación de las ciencias del cerebro.

Los investigadores del segundo equipo utilizaron un material huésped ultrafino emergente para aumentar el brillo de los emisores de fotón único en un 200%. Su artículo fue publicado en la edición del 3 de mayo de Advanced Optical Materials.

El nitruro de boro hexagonal (hBN), similar al grafeno en el sentido de que es tan delgado que se considera prácticamente bidimensional, se ha convertido en un elemento muy deseable para las redes fotónicas cuánticas integradas. Sin embargo, la baja eficiencia cuántica de la luz cuántica alojada en hBN, también conocida como emisores de fotón único, es un desafío.

El equipo de Laraoui centró sus estudios en las propiedades de fotón único de estructuras nanofotónicas híbridas que se componen de SPE y nanocubos de plata que albergan excitaciones colectivas de electrones, también conocidas como plasmones.

Los investigadores de Nebraska demostraron que cuando una escama de hBN está en contacto directo con nanocubos de plata plamónica, una fuerte y rápida emisión de luz de un solo fotón a temperatura ambiente crea una mejora dos veces mayor de la vida útil e intensidad de la fluorescencia del SPE.

"Estos SPE fuertes y rápidos obtenidos a temperatura ambiente pueden ser muy útiles para diversas aplicaciones emergentes en computación y comunicaciones ópticas cuánticas", dijo Laraoui. "Si desea cuantificar la red de fotónica cuántica o mejorar las comunicaciones cuánticas, ahora puede controlar las propiedades".

"Los resultados demuestran que los emisores cuánticos de estado sólido a temperatura ambiente en hBN u otros materiales bidimensionales de Van der Waals pueden ser plataformas ideales para la fotónica cuántica integrada".

Más información: Suvechhya Lamichhane et al, Magnetometría de vacantes de nitrógeno de nanobarras cruzadas de espín individuales de Fe-triazol, ACS Nano (2023). DOI: 10.1021/acsnano.3c01819

Mohammadjavad Dowran et al, Propiedades cuánticas mejoradas de Plasmon de emisores de fotón único con sistemas de nanocubos de plata y nitruro de boro hexagonales híbridos, materiales ópticos avanzados (2023). DOI: 10.1002/adom.202300392

Información de la revista:ACS Nano, materiales ópticos avanzados

Proporcionado por la Universidad de Nebraska-Lincoln