Como colocar nanodiamantes em chips para computação quântica e muito mais

Com informações da Agência Fapesp - 20/03/2024

A intromissão do átomo de nitrogênio gera centros fluorescentes no meio da estrutura de carbono do diamante; o desafio é construí-los de modo preciso e depositá-los onde eles são necessárias.
[Imagem: Esquerda: Ron Folman Lab/LBNL; direita: Oxford University]

Defeitos úteis

Um centro de vacância de nitrogênio é um defeito na estrutura cristalina do diamante no qual um átomo de nitrogênio ocupa o lugar de um átomo de carbono e uma posição adjacente da rede fica vazia.

Este e outros defeitos fluorescentes em diamantes, conhecidos como centros de cor, têm atraído a atenção dos pesquisadores devido às suas propriedades quânticas, entre elas a emissão de fótons únicos em temperatura ambiente, com longo tempo de coerência.

O rol de aplicações dessas nanoestruturas é enorme, indo desde qubits para computadores quânticos e armazenamento óptico de dados até componentes eletrônicos que imitam o cérebro e sensores ultraprecisos.

Para que tudo isto seja possível, contudo, é necessário pegar os nanodiamantes, fabricados industrialmente, e inseri-los nas estruturas necessárias para que eles funcionem - como chips de computador, por exemplo.

E uma equipe brasileira acaba de inovar justamente nessa etapa complicada do processo, desenvolvendo uma maneira de incorporar os nanodiamantes com centros de cor em estruturas previamente projetadas.

"Demonstramos um método para incorporar nanodiamantes fluorescentes em microestruturas projetadas usando polimerização por absorção de dois fótons [2PP]," contou o professor Cleber Mendonça, do Instituto de Física da USP em São Carlos (SP). "Estudamos a concentração ideal de nanodiamantes no fotorresiste [material sensível à luz usado no processo de fabricação] para obter estruturas com pelo menos um centro de vacância de nitrogênio fluorescente e boa qualidade estrutural e óptica."

Microestruturas cilíndricas formadas por fotorresiste dopado com diferentes proporções de nanodiamantes.
[Imagem: Filipe A. Couto et al. - 10.3390/nano13182571]

Polimerização

A polimerização por absorção de dois fótons (2PP) é uma técnica que tem sido bastante utilizada para fabricar microestruturas tridimensionais. De modo simplificado, é um tipo de escrita a laser na qual um feixe laser de alta intensidade é focalizado sobre uma resina polimérica ainda não solidificada. Ao percorrer a resina, a luz vai curando o polímero, deixando atrás de si a microestrutura polimérica já pronta.

No caso da deposição dos centros de cor, os nanodiamantes são dispersos em água deionizada para formar uma solução, que é então adicionada à mistura de monômeros que compõe o fotorresiste. Finalmente, a amostra é submetida a pulsos de um laser potente de titânio-safira, direcionados por um aparato óptico computadorizado segundo coordenadas exatas, promovendo a microfabricação.

"Medidas de fluorescência e espectroscopia Raman foram utilizadas para confirmar a presença e a localização dos nanodiamantes. E medidas de absorbância avaliaram perdas por espalhamento em concentrações mais altas. Nossos resultados mostraram a viabilidade de fabricar microestruturas com a incorporação de nanodiamantes fluorescentes para aplicações em fotônica e tecnologia quântica," concluiu Mendonça.

Mais tópicos