Een nieuw nanowetenschappelijk onderzoek onder leiding van een onderzoeker van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy geeft een totaaloverzicht van hoe wetenschappers materialen op de kleinste schaal bestuderen.

Het artikel, gepubliceerd in Science Advances , bespreekt toonaangevend werk op het gebied van ondergrondse nanometrologie, de wetenschap van interne metingen op nanoschaalniveau, en suggereert dat kwantumdetectie de basis zou kunnen worden voor het volgende tijdperk van ontdekkingen op dit gebied. Potentiële toepassingen kunnen variëren van het in kaart brengen van intracellulaire structuren voor gerichte medicijnafgifte tot het karakteriseren van kwantummaterialen en nanostructuren voor de vooruitgang van kwantumcomputers.

"Ons doel was om de stand van de techniek te definiëren en na te denken over wat er is gedaan en waar we naartoe moeten", zegt Ali Passian, senior onderzoeker bij ORNL en senior auteur van het onderzoek.

"Iedereen wil weten wat zich onder de oppervlakte van materialen bevindt, maar ontdekken wat zich werkelijk daar bevindt, is op elke schaal vaak een ongelooflijke uitdaging. We hopen een nieuwe generatie wetenschappers te inspireren om deze uitdaging aan te gaan door kwantumfenomenen te exploiteren of wat dan ook de meest veelbelovende kansen te bieden. Misschien wel, zodat we de grenzen van de sensor- en beeldwetenschap kunnen verleggen naar grotere ontdekkingen en begrip."

Deeltjes op nanoschaal fungeren als de bouwstenen van de kwantumwetenschap – net klein genoeg om wetenschappers in staat te stellen belangrijke eigenschappen van materialen met maximale precisie aan te passen. Eén nanometer is gelijk aan een miljardste van een meter, een miljoenste van een millimeter en een duizendste van een micrometer. Het gemiddelde vel papier is bijvoorbeeld ongeveer 100.000 nanometer dik.

Passian en co-auteur Amir Payam van de Ulster University suggereren dat het niveau op nanoschaal niet alleen de plaats kan zijn waar ingewikkelde moleculaire assemblages van biologische systemen zoals celmembranen worden gevormd, maar ook waar de afmetingen van opkomende materialen zoals metasurfaces en kwantummaterialen op één lijn liggen. Tot nu toe is het een onderbelichte kans, concluderen ze.

Baanbrekende hulpmiddelen zoals de scanning-sondemicroscoop, die een sonde met een scherpe punt gebruikt om monsters op atomair niveau te inspecteren, hebben de vooruitgang in de nanometrologie van oppervlakken helpen versnellen. Ondergrondse onderzoeken hebben minder vergelijkbare doorbraken opgeleverd, merken de auteurs op.

"Al onze zintuigen zijn gericht op oppervlakken", zei Passian. ‘Hoewel het nog steeds moeilijk is, hebben we ons bereik uitgebreid naar de nanoschaal door het materiaal op de een of andere manier te verstoren met behulp van licht, geluid, elektronen en kleine naalden. Maar eenmaal daar blijft het meten van wat eronder zit extreem uitdagend. We hebben nieuwe methoden nodig waarmee we in deze structuren kunnen kijken. materialen terwijl ze intact blijven. Kwantumwetenschap kan hier kansen bieden, met name kwantumdetectie, waarbij bijvoorbeeld gebruik kan worden gemaakt van de kwantumtoestanden van de sonde, het licht en het monster."

De auteurs suggereren dat kwantumdetectietechnieken die zich nu in de vroege ontwikkelingsfasen bevinden, de sleutel zouden kunnen zijn tot vooruitgang in ondergrondse verkenning. Kwantumsondes zouden bijvoorbeeld skyrmionen kunnen gebruiken – subatomaire quasideeltjes die zijn ontstaan ​​door verstoringen in magnetische velden en die al worden overwogen voor andere kwantumtoepassingen – om dieper te onderzoeken dan welke huidige techniek dan ook toelaat.

"Mensen werken er hard aan om de grenzen van detectie te verleggen en nieuwe meetmodaliteiten te creëren", aldus Passian. "Ik denk dat de komende jaren spannend zullen zijn in termen van materialisatie en gebruiksvriendelijke implementatie van deze technieken in de richting van het bereiken van kwantumnanometrologie van oppervlakken en ondergrondse gebieden."

Meer informatie: Amir Farokh Payam et al, Beeldvorming buiten het oppervlaktegebied:verborgen materialen onderzoeken via atoomkrachtmicroscopie, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg8292

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Geleverd door Oak Ridge National Laboratory