Como manipular átomos para criar emissores de luz e sensores magnéticos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/06/2023

(a) Defeito de vacância de boro no nitreto de boro hexagonal. (b) Fotoluminescência de uma matriz de sensores quânticos construídos pela equipe.
[Imagem: Kento Sasaki et al. - 10.1063/5.0147072]

Vacâncias de boro

Cientistas da Universidade de Tóquio, no Japão, alcançaram o delicado equilíbrio necessário para organizar sensores quânticos em nanoescala, permitindo-lhes detectar variações extremamente pequenas nos campos magnéticos.

Sensores de alta resolução, que operam no regime quântico, são o principal alvo na pesquisa de memórias que não perdem dados na falta de energia e no desenvolvimento de discos rígidos que usam bits nanomagnéticos, multiplicando a densidade de armazenamento de dados.

Mas há muitos mais usos para eles, como estudar o magnetismo em uma escala hoje inacessível, gerar melhores imagens do cérebro, geolocalizar com precisão, mapear ambientes subterrâneos e detectar mudanças tectônicas e erupções vulcânicas. "Usando esse sensor sem precedentes, queremos observar um mundo microscópico que ninguém jamais viu," disse o professor Kento Sasaki.

O grande desafio vencido pela equipe consistiu em organizar os átomos com precisão suficiente para alcançar a capacidade de detectar variações mínimas no campo magnético. Isto foi feito disparando um feixe de íons de hélio contra um filme fino de nitreto de boro hexagonal (hBN).

Curiosamente, o grande interesse nesse material está nos defeitos de sua rede hexagonal. Assim como acontece com as vacâncias de nitrogênio no diamante, que funcionam como qubits, este material pode ter vacâncias de boro, o que o tornou um elemento central na pesquisa de novos sensores no campo da spintrônica. Com sua técnica, a equipe japonesa conseguiu construir "pontos" de 100 nm².

Cada ponto contém muitas lacunas do tamanho de átomos, que se comportam como minúsculas agulhas magnéticas. Quanto mais próximos os pontos estiverem uns dos outros, melhor será a resolução espacial dos sensores. À medida que a corrente flui pelo material, o campo magnético em cada ponto pode ser medido com base na intensidade da luz emitida por eles em resposta a feixes de micro-ondas.

Sensores quânticos do tamanho de átomos estão começando a revolucionar a forma como sentimos os ambientes microscópicos e, portanto, o quanto entendemos sobre as propriedades macroscópicas dos materiais estudados.

Os átomos de nitrogênio aparecem com um contraste mais brilhante, com a vacância sendo visível como um contraste escuro triangular no canto superior esquerdo.
[Imagem: Toma Susi/University of Vienna]

Vacâncias de nitrogênio

Thuy An Bui e colegas da Universidade de Viena, na Áustria, também trabalharam com o nitreto de boro hexagonal, mas com um objetivo bem diferente: Criar fontes de luz tão pequenas que conseguem emitir fótons únicos, um a um, em vez de um feixe de luz tradicional.

Fótons individuais têm aplicações em computação quântica, redes de informação e sensores, e podem ser emitidos por defeitos na rede dos materiais monocristalinos, como o hBN - a diferença aqui é que, em vez de uma vacância de boro, o interesse está em uma vacância de nitrogênio.

O grande problema é acertar direto em um átomo de nitrogênio para retirá-lo da rede cristalina e produzir o defeito estrutural no lugar desejado.

Foi o que Bui conseguiu, usando um microscópio eletrônico de transmissão. E nem foi preciso melhorar o microscópio: Bastou colocar o material em um ambiente de vácuo forte o suficiente para que as partículas restantes no ambiente de vácuo do instrumento não interferissem na manipulação dos átomos.

Tradicionalmente, as medições de microscopia eletrônica de transmissão são feitas em condições de vácuo relativamente pobres, levando a danos rápidos no material, o que impedia de tirar proveito desses emissores de luz em escala atômica.

Agora a equipe pretende aprimorar sua técnica para que a irradiação eletrônica possa ser usada para criar lacunas precisas, que emitam fótons únicos de luz. Eles também pretendem começar a trabalhar com outros materiais de interesse na área, por exemplo manipulando impurezas no grafeno e no silício.

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