Forskere udvikler en proces til bedre at se objekter i nanoskalaen

Et par tværfaglige teams med mange af de samme forskere er ved at udvikle processer, der gør det muligt for forskere bedre at se ind i nanoskalaen og udnytte kvanterigets muligheder.

De to projekter havde hver især artikler offentliggjort i forskningstidsskrifter i samme uge af maj og omfatter forskere fra fakultetet og kandidatstuderende fra flere akademiske afdelinger ved University of Nebraska-Lincoln - mekanisk og materialeteknik, elektro- og computerteknik, kemi, fysik og astronomi.

Hvert hold er støttet af Emergent Quantum Materials and Technologies, eller EQUATE, en delstat Nebraska-sponsoreret kohorte på 20 fakulteter fra flere institutioner til forskning, der "guider opdagelser og fremskynder resultater af nye emergent kvantematerialer og fænomener."

"Den tværfaglige tilgang fungerer for disse projekter, fordi den giver os alle mulighed for at fokusere på et aspekt, der er afgørende for dets succes," sagde Abdelghani Laraoui, assisterende professor i maskin- og materialeteknik og en forsker på begge hold. "Disse projekter fremmer, hvad der er muligt for kvanteforskning."

9. maj-udgaven af ​​ACS Nano indeholdt et papir, hvori forfatterne detaljerede deres nye teknik ved hjælp af nitrogen ledighed-baseret magnetometri til at studere de magnetiske egenskaber af individuelle jern-triazol spin crossover nanorods og nanopartikel klynger.

Tidligere undersøgelser af disse magnetiske molekyler blev primært udført på et bulkformat (opløsning eller pulver), hvilket gjorde det vanskeligt at studere deres individuelle magnetiske adfærd på grund af deres svage magnetiske signal.

Forskere dråbestøbte jerntriazol-nanopartikler på et diamantsubstrat doteret med ultrafølsomme kvantesensorer. Når en stråle af grønt lys skydes hen over substratet, fluorescerer NV'erne et rødt lys med varierende hastigheder i nærværelse af nanorods og nanopartikler. Denne ændring i fluorescens oplyser området og tillader et kamera med ultrahøj opløsning, som funktion af det påførte magnetfelt, mikrobølgefrekvens og temperatur, at spore jern-triazol-spindene på det individuelle nanopartikelniveau.

Laraoui sagde, at holdets forskning viser, at denne teknik forbedrer billeddannelseskapaciteten til under 20 nanometer - omkring 5.000 gange mindre end et menneskehår - og måske følsomheden til så lavt som 10 nanometer.

Ved at bruge en "termisk kontakt" og "permanent magnet," sagde Laraoui, var holdet i stand til at kontrollere spin-tilstande af individuelle nanorods og regulere både deres niveauer af magnetisme og de omstrejfende magnetiske felter, de skaber. Disse herreløse felter er meget svage og gør det sværere at måle ved hjælp af traditionelle teknikker, såsom magnetisk kraftmikroskopi.

"Ethvert molekyle har komponenter, herunder overgangsmetaller såsom jern, som er magnetiske, og disse komponenters spin opfører sig anderledes afhængigt af temperaturen," sagde Laraoui. "Ved lavere temperatur har spinsene intet magnetisk signal, fordi de ophæver hinanden.

"Du kan styre dette ikke kun med temperatur og et magnetfelt, men med spænding påført på måder, der skifter magnetiske molekylers spins."

Laraoui sagde, at NV-teknikken vil tillade studiet af uudforskede magnetiske og fysiske fænomener på nanometerskala og sandsynligvis vil føre til gennembrud inden for kvantesansning, molekylær spin-elektronik og medicinske områder, såsom virologi og hjernevidenskabelig forskning.

Forskere på det andet hold brugte et fremvoksende, ultratyndt værtsmateriale til at øge lysstyrken af ​​enkeltfoton-emittere med 200 %. Deres papir blev offentliggjort i 3. maj-udgaven af ​​Advanced Optical Materials .

Hexagonalt bornitrid (hBN), der ligner grafen, idet det er så tyndt, at det anses for praktisk taget todimensionelt, er blevet et yderst ønskeligt element for integrerede kvantefotoniske netværk. Imidlertid er den lave kvanteeffektivitet af hBN-hostet kvantelys – også kendt som enkeltfoton-emittere – en udfordring.

Laraouis team fokuserede deres undersøgelser på enkeltfotonegenskaber af hybride nanofotoniske strukturer, der er sammensat af SPE'er og sølv nanaokuber, der er vært for kollektive excitationer af elektroner, også kendt som plasmoner.

Nebraska-forskerne viste, at når en hBN-flage er i direkte kontakt med plamoniske sølvnanokuber, skaber en stærk og hurtig enkeltfotonemission af lys ved stuetemperatur en to gange større forbedring af SPE'ens fluorescenslevetid og -intensitet.

"Disse stærke og hurtige SPE'er opnået ved stuetemperatur kan være meget nyttige til forskellige nye applikationer inden for kvanteoptisk kommunikation og computing," sagde Laraoui. "Hvis du vil kvantificere kvantefotoniknetværket eller forbedre kvantekommunikationen, kan du nu kontrollere egenskaberne."

"Resultaterne beviser, at rumtemperatur, solid-state kvantemittere i hBN eller andre todimensionelle van der Waals materialer kan være ideelle platforme til integreret kvantefotonik."

Flere oplysninger: Suvechhya Lamichhane et al, Nitrogen-Vacancy Magnetometry of Individual Fe-Triazole Spin Crossover Nanorods, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c01819

Mohammadjavad Dowran et al., Plasmon Enhanced Quantum Properties of Single Photon Emitters med Hybrid Hexagonal Boron Nitride Silver Nanocube Systems, Avancerede optiske materialer (2023). DOI:10.1002/adom.202300392

Journaloplysninger: Avancerede optiske materialer , ACS Nano

Leveret af University of Nebraska-Lincoln