Meccanica quantistica, la fisica che governa la natura su scala atomica e subatomica, contiene una serie di nuovi fenomeni fisici per esplorare gli stati quantistici su scala nanometrica. Anche se difficile, ci sono modi per sfruttare questi sistemi intrinsecamente fragili e sensibili per il rilevamento quantistico. Una tecnologia nascente in particolare fa uso di difetti puntuali, o errori di posizionamento di un singolo atomo, in materiali su scala nanometrica, come le nanoparticelle di diamante, per misurare i campi elettromagnetici, temperatura, pressione, frequenza e altre variabili con precisione e accuratezza senza precedenti.

Il rilevamento quantistico potrebbe rivoluzionare la diagnostica medica, consentire lo sviluppo di nuovi farmaci, migliorare il design dei dispositivi elettronici e altro ancora.

Per l'uso nel rilevamento quantistico, il grosso cristallo di nanodiamante che circonda il difetto puntuale deve essere altamente perfetto. Qualsiasi deviazione dalla perfezione, come atomi mancanti aggiuntivi, ceppo nel reticolo cristallino del diamante, o la presenza di altre impurità, influenzerà negativamente il comportamento quantistico del materiale. I nanodiamanti altamente perfetti sono anche piuttosto costosi e difficili da realizzare.

Un'alternativa più economica, affermano i ricercatori dell'Argonne National Laboratory e dell'Università di Chicago, è prendere difettoso, di bassa qualità, diamanti fabbricati commercialmente, e poi "guarirli".

In un articolo pubblicato questa settimana in Materiali APL , da AIP Publishing, i ricercatori descrivono un metodo per guarire i nanocristalli di diamante in condizioni di alta temperatura, visualizzando i cristalli in tre dimensioni utilizzando una tecnica di imaging a raggi X.

"Il rilevamento quantistico si basa sulle proprietà uniche di alcuni difetti puntiformi otticamente attivi nelle nanostrutture di semiconduttori, " ha detto F. Joseph Heremans, uno scienziato del personale dell'Argonne National Laboratory e coautore del documento.

Questi difetti, come i centri di azoto vacante (NV) nel diamante, vengono creati quando un atomo di azoto sostituisce un atomo di carbonio adiacente a un posto vacante nella struttura reticolare del diamante. Sono estremamente sensibili al loro ambiente, rendendole utili sonde delle temperature locali, così come i campi elettrici e magnetici, con una risoluzione spaziale più di 100 volte inferiore allo spessore di un capello umano.

Poiché i diamanti sono biologicamente inerti, sensori quantistici basati su nanoparticelle di diamante, che può funzionare a temperatura ambiente e rilevare più fattori contemporaneamente, potrebbe anche essere collocato all'interno di cellule viventi, dove potevano, secondo Heremans, "sistemi di immagine dall'interno verso l'esterno".

Heremans e i suoi colleghi, tra cui Wonsuk Cha e Paul Fuoss di Argonne, così come David Awschalom dell'Università di Chicago, si è proposto di mappare la distribuzione del ceppo cristallino nei nanodiamanti e di tracciare la guarigione di queste imperfezioni sottoponendole ad alte temperature, fino a 800 gradi Celsius in un ambiente inerte di elio.

"La nostra idea del processo di 'guarigione' è che gli spazi nel reticolo vengono riempiti mentre gli atomi si muovono quando il cristallo viene riscaldato a temperature elevate, migliorando così l'omogeneità del reticolo cristallino, " disse Stephan Hruszkewycz, anche uno scienziato dello staff di Argonne e autore principale del documento.

Questa guarigione del nanodiamante è stata monitorata con un metodo di microscopia 3D chiamato imaging di diffrazione coerente di Bragg, eseguita sottoponendo i cristalli a un fascio di raggi X coerente presso l'Advanced Photon Source ad Argonne. Il raggio di raggi X che disperde i nanodiamanti è stato rilevato e utilizzato per ricostruire la forma tridimensionale del nanocristallo, "e, ma ancora più importante, lo stato di deformazione del cristallo, " disse Hruszkewycz.

I ricercatori hanno scoperto che i nanodiamanti "si restringono" durante il processo di ricottura ad alta temperatura, e supponiamo che ciò avvenga a causa di un fenomeno chiamato grafitizzazione. Questo fenomeno si verifica quando la superficie del materiale viene convertita dalla normale disposizione reticolare del diamante in grafite, un singolo strato di atomi di carbonio disposti a filo di pollo.

Lo studio segna la prima volta che l'imaging di diffrazione coerente di Bragg ha dimostrato di essere utile a temperature così elevate, una capacità che, Hruszkewycz ha detto:"consente l'esplorazione dei cambiamenti strutturali in importanti materiali nanocristallini ad alte temperature a cui è difficile accedere con altre tecniche di microscopia".

Hruszkewycz ha aggiunto che la ricerca rappresenta "un passo significativo verso lo sviluppo di metodi scalabili di elaborazione poco costosi, nanodiamanti commerciali per il rilevamento quantistico e l'elaborazione delle informazioni".