Si bien la computación cuántica parece ser el componente importante entre las tecnologías en desarrollo basadas en el comportamiento de la materia y la energía a nivel atómico y subatómico, otra dirección promete abrir una nueva puerta para la investigación científica en sí misma: la microscopía cuántica.
A medida que avanzan las tecnologías cuánticas, se hacen posibles nuevos métodos de microscopía, aquellos que pueden ver corrientes eléctricas, detectar campos magnéticos fluctuantes e incluso ver moléculas individuales en una superficie.
Un equipo de investigación australiano encabezado por el profesor Igor Aharonovich de la Universidad Tecnológica de Sydney y el Dr. Jean-Philippe Titian de la Universidad RMIT desarrollaron un prototipo de un microscopio de este tipo, que muestra una sensibilidad de alta resolución. Los resultados del equipo se han publicado ahora en Física de la Naturaleza.
La microscopía cuántica se basa en impurezas atómicas que, después de la iluminación con láser, emiten luz que puede relacionarse directamente con cantidades físicas interesantes, como un campo magnético, un campo eléctrico o un entorno químico cerca del defecto.
El ingenio del nuevo enfoque, dijo el profesor Aharonovich, es que, a diferencia de los cristales masivos que se usan a menudo para la detección cuántica, el equipo de investigación usó capas atómicamente delgadas, llamadas nitruro de boro hexagonal (hBN).
«El material de van der Waals, que consta de capas 2D altamente interconectadas, se puede fabricar para que sea muy delgado y se adapte a superficies arbitrariamente rugosas, lo que permite una sensibilidad de alta resolución», dijo el profesor Aharonovich.
«Estas propiedades nos llevaron a la idea de usar chips hBN ‘activos cuánticos’ para realizar microscopía cuántica, que es esencialmente una tecnología de imágenes que usa conjuntos de sensores cuánticos para crear mapas espaciales de las cantidades a las que son sensibles», dijo. Dr. .
«Hasta la fecha, la microscopía cuántica se ha visto limitada en resolución espacial y flexibilidad de aplicación debido a los problemas de interacción inherentes al uso de un sensor 3D voluminoso. En cambio, mediante el uso del sensor de van der Waals, esperamos ampliar la utilidad de la tecnología cuántica microscopía a arenas previamente inaccesibles, a ella en el pasado”.
Para probar las capacidades del prototipo, el equipo realizó una detección cuántica en un material magnético tecnológicamente relevante: una porción de CrTe2, un imán de van der Waals con una temperatura crítica justo por encima de la temperatura ambiente.
La microscopía cuántica basada en hBN pudo obtener imágenes de los campos magnéticos de los ferromagnetos, con una proximidad a nanoescala del sensor y en condiciones ambientales, algo que se creía imposible hasta ahora.
Además, utilizando las propiedades únicas de los defectos de hBN, se registró un mapa de temperatura simultáneo, lo que confirma que la microscopía se puede utilizar para realizar imágenes correlativas entre las dos cantidades.
Principales autores de Física de la naturaleza El trabajo de investigación, los estudiantes de doctorado Alex Healy (Universidad de Melbourne) y Sam Schulten (Universidad de Melbourne), y el investigador de carrera temprana Tishan Yang (UTS), dijeron que la naturaleza de van der Waals del sensor permitió la detección dual de propiedades magnéticas y la temperatura.
«Debido a que es tan delgado, no se puede disipar mucho calor a través de él y cualquier distribución de temperatura presente es la misma que si el sensor no estuviera presente», dijeron. «Lo que comenzó como un inconveniente experimental terminó siendo un indicio de la capacidad única de nuestro microscopio entre las alternativas actuales».
“Existe un gran potencial para esta nueva generación de microscopía cuántica”, dijo el Dr. Mehran Kayaninya, investigador principal de la Universidad UTS. “No solo puede funcionar a temperatura ambiente y proporcionar información simultánea sobre la temperatura y los campos eléctricos y magnéticos, sino que también puede integrarse perfectamente en nanodispositivos y soportar entornos extremadamente duros, porque el hBN es un material muy resistente.
«Las futuras aplicaciones clave incluyen IRM (imágenes por resonancia magnética) y RMN (imágenes por resonancia magnética nuclear) de alta resolución que se pueden usar para estudiar reacciones químicas e identificar orígenes moleculares, así como aplicaciones en la industria aeroespacial, de defensa y agricultura donde la detección remota y la generación de imágenes son clave».
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