Cientistas da Universidade de Tóquio conseguiram a delicada tarefa de organizar sensores quânticos em nanoescala, permitindo-lhes detectar variações extremamente pequenas nos campos magnéticos. Os sensores quânticos de alta resolução terão usos potenciais em materiais quânticos e pesquisa de dispositivos eletrônicos. Por exemplo, os sensores podem ajudar a desenvolver discos rígidos que usam materiais nanomagnéticos como elementos de armazenamento. Esta é a primeira imagem de campo magnético de alta resolução bem-sucedida do mundo usando um arranjo em nanoescala de sensores quânticos.

Sensores nos cercam em nossa vida diária, desde luzes de garagem a detectores de fumaça e até átomos. Os sensores quânticos detectam o ambiente ao seu redor usando as propriedades de um átomo. Por exemplo, um átomo muda seu spin, que assume dois valores como os pólos de um ímã, em resposta a um campo magnético. Sensores de campo magnético têm muitas aplicações em aparelhos biomédicos e pesquisa de materiais quânticos, incluindo supercondutores.

Kento Sasaki, professor assistente da Universidade de Tóquio, diz: "Usando um sensor sem precedentes, queremos observar um mundo microscópico que ninguém jamais viu".

Os pesquisadores queriam desenvolver sensores quânticos estáveis ??colocados perto dos alvos, como fios e discos. Mas, até agora, tem sido um desafio organizar os átomos com precisão para alcançar a capacidade de detectar variações mínimas no campo magnético.

“Embora os sensores quânticos individuais sejam pequenos, sua resolução espacial é restrita pela distância entre o sensor e o alvo de medição”, diz Sasaki. Para resolver o problema, os pesquisadores estabeleceram uma técnica para criar sensores quânticos de tamanho nanométrico na superfície do alvo de medição.

Como sensores quânticos, a equipe usou vacâncias de boro ou defeitos de rede no nitreto de boro hexagonal bidimensional, um material cristalino fino com átomos de nitrogênio e boro . O defeito de vacância de boro é o novo garoto no bloco desde sua descoberta como um sensor de rotação quântica em 2020.

Puxando a fita adesiva do cristal, a equipe obteve uma fina película hexagonal de nitreto de boro. Os pesquisadores anexaram o filme fino ao fio de ouro alvo. Em seguida, eles bombardearam o filme com um feixe de íons de hélio de alta velocidade, destacando assim os átomos de boro e formando os pontos vagos de boro de 100 nm 2 .

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 fluiu pelo fio, a equipe mediu o campo magnético em cada ponto com base na intensidade da luz emitida pelos pontos na presença de micro-ondas. Os pesquisadores ficaram surpresos quando os valores medidos do campo magnético combinaram de perto com os valores simulados, provando a eficácia dos sensores quânticos de alta resolução.

A mudança no estado de rotação do sensor na presença de um campo magnético pode ser detectada mesmo à temperatura ambiente , permitindo assim uma fácil detecção do campo magnético local e das correntes. Além disso, os nanofilmes de nitreto de boro se ligam a objetos apenas pela força de van der Waals, o que significa que os sensores quânticos aderem facilmente a diferentes materiais.

Sasaki e sua equipe planejam aplicar esta técnica para pesquisas em física da matéria condensada e materiais quânticos . “Isso permitirá a detecção direta do campo magnético de, por exemplo, estados peculiares nas bordas do grafeno e pontos quânticos microscópicos”, acrescenta Sasaki.

Sensores quânticos do tamanho de átomos estão começando a revolucionar a forma como sentimos ambientes microscópicos e, portanto, também entendemos as propriedades macroscópicas. Suas aplicações vão além da pesquisa científica básica. Eles podem ajudar a criar imagens de cérebros humanos , geolocalizar com precisão, mapear ambientes subterrâneos e detectar mudanças tectônicas e erupções vulcânicas. Sasaki e sua equipe aguardam os usos potenciais de seus sensores quânticos em nanoescala em semicondutores, materiais magnéticos e supercondutores.

O estudo foi publicado na revista Applied Physics Letters .