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Enquanto a computação quântica parece ser o item mais caro entre as tecnologias em desenvolvimento baseadas no comportamento da matéria e da energia nos níveis atômico e subatômico, outra direção promete abrir uma nova porta para a própria pesquisa científica – a microscopia quântica.
Com o avanço das tecnologias quânticas, novas modalidades de microscopia estão se tornando possíveis – aquelas que podem ver correntes elétricas, detectar campos magnéticos flutuantes e até ver moléculas únicas em uma superfície.
Um protótipo de tal microscópio, demonstrando sensibilidade de alta resolução, foi desenvolvido por uma equipe de pesquisa australiana liderada pelo professor Igor Aharonovich da Universidade de Tecnologia de Sydney e pelo Dr. Jean-Philippe Tetienne da Universidade RMIT. As descobertas da equipe já foram publicadas em Natureza Física.
O microscópio quântico é baseado em impurezas atômicas, que após a iluminação a laser emitem luz que pode estar diretamente relacionada a grandezas físicas interessantes como campo magnético, campo elétrico ou o ambiente químico próximo ao defeito.
O professor Aharonovich disse que a engenhosidade da nova abordagem foi que, ao contrário dos cristais volumosos frequentemente empregados para detecção quântica, a equipe de pesquisa utilizou camadas atomicamente finas, chamadas de nitreto de boro hexagonal (hBN).
“Este material de van der Waals – isto é, composto de camadas bidimensionais fortemente ligadas – pode ser muito fino e pode se adaptar a superfícies arbitrariamente ásperas, permitindo sensibilidade de alta resolução”, disse o professor Aharonovich.
“Essas propriedades nos levaram à ideia de usar folhas de hBN ‘quantum-ativas’ para realizar microscopia quântica, que essencialmente é uma técnica de imagem que utiliza matrizes de sensores quânticos para criar mapas espaciais das quantidades às quais são sensíveis”, disse Tetienne. .
“Até agora, a microscopia quântica era limitada em sua resolução espacial e flexibilidade de aplicação pelos problemas de interface inerentes ao uso de um sensor tridimensional volumoso. Ao utilizar um sensor van der Waals, esperamos estender a utilidade da microscopia quântica em arenas que antes eram inacessíveis.”
Para testar as capacidades do protótipo, a equipe realizou sensoriamento quântico em um material magnético tecnologicamente relevante – um floco de CrTe2, um ferromagneto de van der Waals com uma temperatura crítica logo acima da temperatura ambiente.
O microscópio quântico baseado em hBN foi capaz de visualizar os domínios magnéticos do ferroímã, com proximidade em nanoescala do sensor e sob condições ambientais – algo que se acreditava ser impossível até hoje.
Além disso, utilizando as propriedades únicas dos defeitos de hBN, um mapa de temperatura simultâneo foi registrado, confirmando que o microscópio pode ser usado para realizar imagens correlativas entre as duas quantidades.
Autores principais para o Natureza Física No artigo, os estudantes de doutorado Alex Healey (Universidade de Melbourne) e Sam Scholten (Universidade de Melbourne) e o pesquisador em início de carreira Tieshan Yang (UTS), disseram que a natureza van der Waals do sensor permitiu a detecção dupla de propriedades magnéticas e temperatura.
“Por ser muito fino, pouco calor é capaz de se dissipar através dele e qualquer distribuição de temperatura que exista é a mesma como se o sensor não estivesse lá”, disseram eles. “O que começou como um aborrecimento experimental acabou sendo uma dica para uma capacidade do nosso microscópio que é única entre as alternativas atuais”.
“Existe um enorme potencial para esta nova geração de microscopia quântica”, disse o pesquisador sênior da UTS, Mehran Kianinia. “Ele não apenas pode operar em temperatura ambiente e fornecer informações simultâneas sobre temperatura, campos elétricos e magnéticos, como pode ser perfeitamente integrado a dispositivos em nanoescala e resistir a ambientes muito agressivos, pois o hBN é um material muito rígido.
“As principais aplicações futuras incluem MRI (ressonância magnética) e NMR (ressonância magnética nuclear) de alta resolução que podem ser usadas para estudar reações químicas e identificar origens moleculares, bem como aplicações no espaço, defesa e agricultura onde o sensoriamento remoto e a imagem são chave.”
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