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Fótons individuais têm aplicações em computação quântica, redes de informação e sensores, e estes podem ser emitidos por defeitos no isolador atomicamente fino hexagonal de nitreto de boro (hBN). A falta de átomos de nitrogênio foi sugerida como sendo a estrutura atômica responsável por essa atividade, mas é difícil removê-los de forma controlada. Uma equipe da Faculdade de Física da Universidade de Viena mostrou agora que átomos individuais podem ser expulsos usando um microscópio eletrônico de transmissão de varredura sob ultra-alto vácuo. Os resultados são publicados na revista Pequeno.
A microscopia eletrônica de transmissão nos permite ver a estrutura atômica dos materiais e é particularmente adequada para revelar diretamente quaisquer defeitos na rede do espécime, que podem ser prejudiciais ou úteis, dependendo da aplicação. No entanto, o feixe de elétrons energéticos também pode danificar a estrutura, seja devido a colisões elásticas ou excitações eletrônicas, ou uma combinação de ambos. Além disso, quaisquer gases deixados no vácuo do instrumento podem contribuir para danos, pelo que as moléculas de gás dissociadas podem corroer os átomos da rede. Até agora, as medições de microscopia eletrônica de transmissão de hBN foram realizadas em condições de vácuo relativamente pobres, levando a danos rápidos. Devido a essa limitação, não ficou claro se as vagas – átomos ausentes – podem ser criadas de forma controlada.
Na Universidade de Viena, a criação de vacâncias atômicas individuais já foi alcançada usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura corrigida por aberrações em vácuo quase ultra-alto. O material foi irradiado em uma faixa de energia de feixe de elétrons, o que influencia a taxa de dano medida. Em baixas energias, o dano é dramaticamente mais lento do que o medido anteriormente em condições de vácuo residual mais pobres. Vacâncias únicas de boro e nitrogênio podem ser criadas em energias eletrônicas intermediárias, e o boro tem duas vezes mais chances de ser ejetado devido à sua massa menor. Embora medições atomicamente precisas não sejam viáveis nas energias mais altas usadas anteriormente para fazer o hBN emitir fótons únicos, os resultados preveem que o nitrogênio, por sua vez, se torna mais fácil de ejetar – permitindo que essas lacunas brilhantes sejam preferencialmente criadas.
Estatísticas robustas coletadas por trabalhos experimentais meticulosos combinados com novos modelos teóricos foram vitais para chegar a essas conclusões. A autora principal, Thuy An Bui, trabalhou no projeto desde sua tese de mestrado: “A cada energia de elétron, eu precisava passar muitos dias no microscópio coletando cuidadosamente uma série de dados após a outra”, diz ela. “Depois que os dados foram coletados, usamos o aprendizado de máquina para ajudar a analisá-los com precisão, embora até isso tenha dado muito trabalho.” O autor sênior Toma Susi acrescenta: “Para entender o mecanismo de dano, criamos um modelo aproximado que combina ionização com danos indiretos. Isso nos permitiu extrapolar para energias mais altas e lançar uma nova luz sobre a criação de defeitos.”
Apesar de sua natureza isolante, os resultados mostram que o nitreto de boro hexagonal monocamada é surpreendentemente estável sob irradiação de elétrons quando a corrosão química pode ser evitada. No futuro, pode ser possível usar a irradiação de elétrons para criar propositadamente vacâncias específicas que emitam fótons únicos de luz, irradiando seletivamente os locais de rede desejados com uma sonda de elétrons focalizada. Novas oportunidades para manipulação atomicamente precisa, até agora demonstrada para átomos de impureza no grafeno e no silício a granel, também podem ser descobertas.
O trabalho foi apoiado pelo Conselho Europeu de Pesquisa (ERC) no âmbito do programa de pesquisa e inovação Horizon 2020 da União Europeia (acordo de concessão nº 756277-ATMEN) e pela Escola de Doutorado em Física de Viena (VDS-P). Dados abertos e código são fornecidos com a publicação.
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