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

Van de twee projecten zijn in dezelfde week van mei artikelen gepubliceerd in onderzoekstijdschriften en er zijn docenten en afgestudeerde studentenonderzoekers van verschillende academische afdelingen van de Universiteit van Nebraska-Lincoln bij betrokken:mechanische 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 twintig docenten uit meerdere instellingen voor onderzoek dat "ontdekkingen begeleidt en de bevindingen van nieuwe opkomende kwantummaterialen en -fenomenen 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 mechanische techniek en materiaalkunde en onderzoeker bij beide teams. "Deze projecten bevorderen wat mogelijk is voor kwantumonderzoek."

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

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

Onderzoekers gieten ijzertriazool-nanodeeltjes op een diamantsubstraat dat is gedoteerd met ultragevoelige kwantumsensoren. Wanneer een straal groen licht over het substraat wordt geschoten, fluoresceren de NV's rood licht met verschillende snelheden in aanwezigheid van de nanostaafjes en nanodeeltjes. Deze verandering in fluorescentie verlicht het gebied en maakt het mogelijk dat een camera met ultrahoge resolutie, als functie van het aangelegde magnetische veld, de microgolffrequentie en de temperatuur, de ijzer-triazoolspins op het niveau van individuele nanodeeltjes kan volgen.

Laraoui zei dat uit het onderzoek van het team blijkt dat deze techniek de beeldvormingsmogelijkheden verbetert tot onder de 20 nanometer (ongeveer 5000 keer kleiner dan een mensenhaar) en misschien wel de gevoeligheid tot zelfs 10 nanometer.

Door gebruik te maken van een ‘thermische schakelaar’ en een ‘permanente magneet’, zei Laraoui, kon het team de spintoestanden van individuele nanostaafjes controleren en zowel hun magnetismeniveau als de verstrooide magnetische velden die ze creëren reguleren. Deze strooivelden zijn erg zwak en maken het moeilijker om met traditionele technieken, zoals magnetische krachtmicroscopie, te meten.

"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 aangelegd op een manier die de spins van magnetische moleculen verandert."

Laraoui zei dat de NV-techniek de studie van onontdekte magnetische en natuurkundige verschijnselen op nanometerschaal mogelijk zal maken en waarschijnlijk zal leiden tot doorbraken op het gebied van kwantumdetectie, moleculaire spin-elektronica en medische gebieden, zoals virologie en hersenwetenschappelijk onderzoek.

Onderzoekers van het tweede team gebruikten een opkomend, ultradun gastmateriaal om de helderheid van emitters van afzonderlijke fotonen met 200% te verhogen. Hun artikel werd gepubliceerd in de editie van 3 mei van Advanced Optical Materials .

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 door hBN gehost kwantumlicht, ook wel bekend als single-photon emitters, is echter een uitdaging.

Het team van Laraoui richtte zijn onderzoek op de eigenschappen 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 onderzoekers uit Nebraska hebben aangetoond dat wanneer een hBN-vlok in direct contact komt met nanokubussen van plamonisch zilver, een sterke en snelle emissie van licht van één enkele foto bij kamertemperatuur een twee keer grotere verbetering van de fluorescentielevensduur en -intensiteit van de SPE creëert.

"Deze sterke en snelle SPE's verkregen bij kamertemperatuur kunnen zeer nuttig zijn voor verschillende opkomende toepassingen in kwantumoptische communicatie en computergebruik", zei Laraoui. "Als je het kwantumfotonicanetwerk wilt kwantificeren of de kwantumcommunicatie wilt verbeteren, kun je nu de eigenschappen controleren."

"De resultaten bewijzen dat vaste-stof-kwantumzenders op kamertemperatuur in hBN of andere tweedimensionale van der Waals-materialen ideale platforms kunnen zijn voor geïntegreerde kwantumfotonica."

Meer informatie: Suvechhya Lamichhane et al., Stikstof-vacancy-magnetometrie van individuele Fe-triazool-spin-crossover-nanostaafjes, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c01819

Mohammadjavad Dowran et al., Plasmon Verbeterde kwantumeigenschappen van afzonderlijke fotonenemitters met hybride zeshoekige boornitride-zilvernanokubussystemen, Geavanceerde optische materialen (2023). DOI:10.1002/adom.202300392

Journaalinformatie: Geavanceerde optische materialen , ACS Nano

Aangeboden door Universiteit van Nebraska-Lincoln