Un paio di team multidisciplinari con molti degli stessi ricercatori stanno sviluppando processi che consentono agli scienziati di vedere meglio nella nanoscala e sfruttare le possibilità del regno quantistico.

Ciascuno dei due progetti ha avuto articoli pubblicati su riviste di ricerca nella stessa settimana di maggio e comprende docenti e ricercatori laureati provenienti da diversi dipartimenti accademici dell'Università del Nebraska-Lincoln:ingegneria meccanica e dei materiali, ingegneria elettrica e informatica, chimica, fisica e astronomia. /P>

Ogni team è supportato dall'Emergent Quantum Materials and Technologies, o EQUATE, un gruppo di 20 docenti provenienti da più istituti di ricerca sponsorizzato dallo stato del Nebraska che "guida le scoperte e accelera le scoperte di nuovi materiali e fenomeni quantistici emergenti".>

"L'approccio multidisciplinare funziona per questi progetti perché consente a tutti noi di concentrarci su un aspetto vitale per il loro successo", ha affermato Abdelghani Laraoui, assistente professore di ingegneria meccanica e dei materiali e ricercatore di entrambi i team. "Questi progetti stanno facendo avanzare ciò che è possibile fare per la ricerca quantistica."

L'edizione del 9 maggio di ACS Nano presentava un articolo in cui gli autori descrivono in dettaglio la loro nuova tecnica utilizzando la magnetometria basata sui posti vacanti di azoto per studiare le proprietà magnetiche dei singoli nanotubi con crossover dello spin ferro-triazolo e dei cluster di nanoparticelle.

Precedenti studi su queste molecole magnetiche sono stati condotti principalmente su un formato sfuso (soluzione o polvere), rendendo difficile studiare il loro comportamento magnetico individuale a causa del loro debole segnale magnetico disperso.

I ricercatori hanno depositato nanoparticelle di ferro triazolico su un substrato di diamante drogato con sensori quantistici ultrasensibili. Quando un raggio di luce verde viene proiettato attraverso il substrato, le NV emettono una luce rossa fluorescente a velocità variabili in presenza di nanobarre e nanoparticelle. Questo cambiamento nella fluorescenza illumina l'area e consente a una telecamera ad altissima risoluzione, in funzione del campo magnetico applicato, della frequenza delle microonde e della temperatura, di tracciare gli spin del ferro-triazolo a livello delle singole nanoparticelle.

Laraoui ha affermato che la ricerca del team mostra che questa tecnica migliora le capacità di imaging fino a meno di 20 nanometri (circa 5.000 volte più piccole di un capello umano) e forse la sensibilità fino a 10 nanometri.

Utilizzando un "interruttore termico" e un "magnete permanente", ha detto Laraoui, il team è stato in grado di controllare gli stati di spin dei singoli nanotubi e regolare sia i loro livelli di magnetismo che i campi magnetici vaganti che creano. Questi campi vaganti sono molto deboli e rendono più difficile la misurazione utilizzando tecniche tradizionali, come la microscopia a forza magnetica.

"Ogni molecola ha componenti, compresi i metalli di transizione come il ferro, che sono magnetici, e lo spin di questi componenti si comporta in modo diverso a seconda della temperatura", ha detto Laraoui. "A temperature più basse, gli spin non hanno segnale magnetico perché si annullano a vicenda.

"Puoi controllarlo non solo con la temperatura e un campo magnetico, ma anche con la tensione applicata in modo da cambiare gli spin delle molecole magnetiche."

Laraoui ha affermato che la tecnica NV consentirà lo studio di fenomeni magnetici e fisici inesplorati su scala nanometrica e probabilmente porterà a scoperte nel rilevamento quantistico, nell'elettronica dello spin molecolare e in campi della medicina, come la virologia e la ricerca sulle scienze del cervello.

I ricercatori del secondo team hanno utilizzato un materiale ospite emergente e ultrasottile per aumentare del 200% la luminosità degli emettitori a fotone singolo. Il loro articolo è stato pubblicato nell'edizione del 3 maggio di Advanced Optical Materials .

Il nitruro di boro esagonale (hBN), simile al grafene in quanto è così sottile da essere considerato praticamente bidimensionale, è diventato un elemento altamente desiderabile per le reti fotoniche quantistiche integrate. Tuttavia, la bassa efficienza quantistica della luce quantistica ospitata da hBN, nota anche come emettitori a fotone singolo, rappresenta una sfida.

Il team di Laraoui ha concentrato i suoi studi sulle proprietà del singolo fotone di strutture nanofotoniche ibride composte da SPE e nanocubi d'argento che ospitano eccitazioni collettive di elettroni, altrimenti noti come plasmoni.

I ricercatori del Nebraska hanno dimostrato che quando un fiocco di hBN è in contatto diretto con nanocubi d'argento plamonici, un'emissione di luce di un singolo fotone forte e veloce a temperatura ambiente crea un miglioramento due volte maggiore della durata e dell'intensità della fluorescenza dello SPE.

"Questi SPE potenti e veloci ottenuti a temperatura ambiente possono essere molto utili per varie applicazioni emergenti nelle comunicazioni e nell'informatica quantistica ottica", ha affermato Laraoui. "Se vuoi quantificare la rete di fotonica quantistica o migliorare le comunicazioni quantistiche, ora puoi controllarne le proprietà."

"I risultati dimostrano che gli emettitori quantistici a stato solido e a temperatura ambiente in hBN o altri materiali di van der Waals bidimensionali possono essere piattaforme ideali per la fotonica quantistica integrata."

Ulteriori informazioni: Suvechhya Lamichhane et al, Magnetometria delle vacanze di azoto di singoli nanorodi di crossover di spin fe-triazolo, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c01819

Mohammadjavad Dowran et al, Proprietà quantistiche migliorate da Plasmon di emettitori di fotoni singoli con sistemi ibridi di nanocubi d'argento di nitruro di boro esagonale, Materiali ottici avanzati (2023). DOI:10.1002/adom.202300392

Informazioni sul giornale: Materiali ottici avanzati , ACS Nano

Fornito dall'Università del Nebraska-Lincoln