Onderzoekers ontwikkelen een proces om objecten op nanoschaal beter te kunnen zien

Een paar multidisciplinaire teams met veel van dezelfde onderzoekers ontwikkelen processen waarmee wetenschappers beter in de nanoschaal kunnen kijken en de mogelijkheden van het kwantumrijk kunnen benutten.

De twee projecten hadden elk artikelen die in dezelfde week van mei in onderzoekstijdschriften werden gepubliceerd en omvatten docenten en afgestudeerde studentonderzoekers van verschillende academische afdelingen van de Universiteit van Nebraska-Lincoln – werktuigbouwkunde en materiaalkunde, elektrische en computertechniek, scheikunde, natuurkunde en astronomie.

Elk team wordt ondersteund door de Emergent Quantum Materials and Technologies, of EQUATE, een door de staat Nebraska gesponsord cohort van 20 faculteiten uit meerdere instellingen voor onderzoek dat “ontdekkingen begeleidt en bevindingen van nieuwe opkomende kwantummaterialen en -verschijnselen versnelt.”

“De multidisciplinaire aanpak werkt voor deze projecten omdat het ons allemaal in staat stelt ons te concentreren op één aspect dat essentieel is voor het succes ervan”, zegt Abdelghani Laraoui, assistent-professor werktuigbouwkunde en materiaalkunde en onderzoeker in beide teams. “Deze projecten bevorderen wat mogelijk is voor kwantumonderzoek.”

De 9 mei-editie van ACS Nano bevatte een paper waarin de auteurs hun nieuwe techniek beschrijven met behulp van magnetometrie op basis van stikstofvacatures om de magnetische eigenschappen van individuele ijzer-triazool spin-crossover nanostaafjes en nanodeeltjesclusters te bestuderen.

Eerdere studies naar deze magnetische moleculen werden voornamelijk uitgevoerd op een bulkformaat (oplossing of poeder), waardoor het moeilijk was om hun individuele magnetische gedrag te bestuderen vanwege hun zwakke magnetische strooisignaal.

Onderzoekers drop-casted ijzertriazool nanodeeltjes op een diamantsubstraat gedoteerd met ultragevoelige kwantumsensoren. Wanneer een straal groen licht over het substraat wordt geschoten, fluoresceren de NV’s een rood licht met verschillende snelheden in aanwezigheid van de nanostaafjes en nanodeeltjes. Deze verandering in fluorescentie verlicht het gebied en stelt een camera met ultrahoge resolutie in staat om, als functie van het aangelegde magnetische veld, de microgolffrequentie en de temperatuur, de ijzer-triazool-spins op het niveau van individuele nanodeeltjes te volgen.

Laraoui zei dat het onderzoek van het team aantoont dat deze techniek de beeldvormingsmogelijkheden verbetert tot minder dan 20 nanometer – ongeveer 5.000 keer kleiner dan een mensenhaar – en misschien de gevoeligheid tot wel 10 nanometer.

Door een “thermische schakelaar” en “permanente magneet” te gebruiken, zei Laraoui, was het team in staat om de spintoestanden van individuele nanostaafjes te regelen en zowel hun niveaus van magnetisme als de verdwaalde magnetische velden die ze creëren te reguleren. Deze strooivelden zijn erg zwak en maken metingen met traditionele technieken, zoals magnetische krachtmicroscopie, moeilijker.

“Elk molecuul heeft componenten, inclusief overgangsmetalen zoals ijzer, die magnetisch zijn, en de spin van die componenten gedraagt ​​zich anders, afhankelijk van de temperatuur,” zei Laraoui. “Bij lagere temperaturen hebben de spins geen magnetisch signaal omdat ze elkaar opheffen.

“Je kunt dit niet alleen regelen met temperatuur en een magnetisch veld, maar ook met spanning die wordt toegepast op manieren die de spins van magnetische moleculen veranderen.”

Laraoui zei dat de NV-techniek de studie van onontgonnen magnetische en fysische fenomenen op nanometerschaal mogelijk zal maken en waarschijnlijk zal leiden tot doorbraken in kwantumdetectie, moleculaire spin-elektronica en medische gebieden, zoals virologie en hersenwetenschappelijk onderzoek.

Onderzoekers van het tweede team gebruikten een opkomend, ultradun gastheermateriaal om de helderheid van single-photon emitters met 200% te verhogen. Hun artikel werd gepubliceerd in de editie van 3 mei van Geavanceerde optische materialen.

Hexagonaal boornitride (hBN), vergelijkbaar met grafeen omdat het zo dun is dat het als praktisch tweedimensionaal wordt beschouwd, is een zeer wenselijk element geworden voor geïntegreerde kwantumfotonische netwerken. De lage kwantumefficiëntie van hBN-gehost kwantumlicht – ook wel bekend als single-photon emitters – is echter een uitdaging.

Het team van Laraoui richtte zijn studies op de eigenschappen van enkelvoudige fotonen van hybride nanofotonische structuren die zijn samengesteld uit SPE’s en zilveren nanokubussen die collectieve excitaties van elektronen herbergen, ook wel bekend als plasmonen.

De Nebraska-onderzoekers toonden aan dat wanneer een hBN-vlok in direct contact staat met plamonische zilveren nanokubussen, een sterke en snelle enkelvoudige fotonemissie van licht bij kamertemperatuur een twee keer grotere verbetering van de fluorescentielevensduur en -intensiteit van de SPE creëert.

“Deze sterke en snelle SPE’s die bij kamertemperatuur worden verkregen, kunnen zeer nuttig zijn voor verschillende opkomende toepassingen in kwantumoptische communicatie en computers”, zei Laraoui. “Als je het kwantumfotonica-netwerk wilt kwantificeren of kwantumcommunicatie wilt verbeteren, kun je nu de eigenschappen beheersen.”

“De resultaten bewijzen dat kwantumemitters in vaste toestand op kamertemperatuur in hBN of andere tweedimensionale van der Waals-materialen ideale platforms kunnen zijn voor geïntegreerde kwantumfotonica.”