La mecánica cuántica, la física que gobierna la naturaleza a escala atómica y subatómica, contiene una serie de nuevos fenómenos físicos para explorar estados cuánticos a nanoescala. Aunque es difícil, hay formas de explotar estos sistemas inherentemente frágiles y sensibles para la detección cuántica.Una tecnología naciente en particular hace uso de defectos puntuales, o extravíos de un solo átomo, en materiales a nanoescala, como nanopartículas de diamante, para medir campos electromagnéticos, temperatura, presión, frecuencia y otras variables con una precisión y precisión sin precedentes.
La detección cuántica podría revolucionar el diagnóstico médico, permitir el desarrollo de nuevos medicamentos, mejorar el diseño de dispositivos electrónicos y más.
Para usar en la detección cuántica, el cristal de nanodiamante a granel que rodea el defecto puntual debe ser muy perfecto. Cualquier desviación de la perfección, como átomos faltantes adicionales, tensión en la red cristalina del diamante o la presencia de otras impurezas, será adversamenteafectar el comportamiento cuántico del material. Los nanodiamantes altamente perfectos también son bastante caros y difíciles de fabricar.
Una alternativa más barata, dicen los investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne y la Universidad de Chicago, es tomar diamantes con defectos de calidad, fabricados comercialmente y luego "sanarlos".
En un artículo publicado esta semana en Materiales APL , de AIP Publishing, los investigadores describen un método para curar nanocristales de diamante en condiciones de alta temperatura, mientras visualizan los cristales en tres dimensiones utilizando una técnica de imagen de rayos X.
"La detección cuántica se basa en las propiedades únicas de ciertos defectos puntuales ópticamente activos en nanoestructuras de semiconductores", dijo F. Joseph Heremans, científico del personal del Laboratorio Nacional Argonne y coautor del artículo.
Estos defectos, como los centros de vacantes de nitrógeno NV en el diamante, se crean cuando un átomo de nitrógeno reemplaza a un átomo de carbono adyacente a una vacante en la estructura reticular de diamante. Son extremadamente sensibles a su entorno, lo que los convierte en sondas útilesde temperaturas locales, así como campos eléctricos y magnéticos, con una resolución espacial más de 100 veces menor que el grosor de un cabello humano.
Debido a que los diamantes son biológicamente inertes, los sensores cuánticos basados en nanopartículas de diamantes, que pueden operar a temperatura ambiente y detectar varios factores simultáneamente, incluso podrían colocarse dentro de las células vivas, donde podrían, según Heremans, "sistemas de imágenes de adentro hacia afuera"
Heremans y sus colegas, incluidos Wonsuk Cha y Paul Fuoss de Argonne, así como David Awschalom de la Universidad de Chicago, se propusieron mapear la distribución de la cepa de cristal en nanodiamantes y rastrear la curación de estas imperfecciones sometiéndolas aaltas temperaturas, hasta 800 grados Celsius en un entorno de helio inerte.
"Nuestra idea del proceso de 'curación' es que los espacios en la red se llenan a medida que los átomos se mueven cuando el cristal se calienta a altas temperaturas, mejorando así la homogeneidad de la red cristalina", dijo Stephan Hruszkewycz, también miembro del personalcientífico de Argonne y autor principal del artículo.
Esta curación de nanodiamantes fue monitoreada con un método de microscopía tridimensional llamado imagen de difracción coherente de Bragg, realizada sometiendo los cristales a un haz de rayos X coherente en la Fuente de Fotones Avanzados en Argonne. El haz de rayos X que se dispersa de los nanodiamantesfue detectado y utilizado para reconstruir la forma tridimensional del nanocristal "y, lo que es más importante, el estado de deformación del cristal", dijo Hruszkewycz.
Los investigadores encontraron que los nanodiamantes se "encogen" durante el proceso de recocido a alta temperatura, y suponen que esto ocurre debido a un fenómeno llamado grafitización. Este fenómeno ocurre cuando la superficie del material se convierte de la disposición normal de la red de diamantes en grafito,una sola capa de átomos de carbono dispuestos en forma de alambre de pollo.
El estudio marca la primera vez que se ha demostrado que la imagen de difracción coherente de Bragg es útil a temperaturas tan altas, una capacidad que, según Hruszkewycz, "permite la exploración de cambios estructurales en materiales nanocristalinos importantes a altas temperaturas de difícil accesocon otras técnicas de microscopía "
Hruszkewycz agregó que la investigación representa "un paso significativo hacia el desarrollo de métodos escalables de procesamiento de nanodiamantes económicos y comerciales para la detección cuántica y el procesamiento de información".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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