Deux équipes multidisciplinaires composées de plusieurs des mêmes chercheurs développent des processus qui permettent aux scientifiques de mieux voir l'échelle nanométrique et d'exploiter les possibilités du domaine quantique.

Les deux projets ont chacun fait l'objet d'articles publiés dans des revues de recherche au cours de la même semaine de mai et incluent des professeurs et des étudiants diplômés de plusieurs départements universitaires de l'Université du Nebraska à Lincoln :génie mécanique et des matériaux, génie électrique et informatique, chimie, physique et astronomie. /P>

Chaque équipe est soutenue par Emergent Quantum Materials and Technologies, ou EQUATE, une cohorte parrainée par l'État du Nebraska de 20 professeurs issus de plusieurs institutions pour une recherche qui « guide les découvertes et accélère les découvertes de nouveaux matériaux et phénomènes quantiques émergents ».

"L'approche multidisciplinaire fonctionne pour ces projets car elle nous permet à tous de nous concentrer sur un aspect essentiel à leur réussite", a déclaré Abdelghani Laraoui, professeur adjoint de génie mécanique et des matériaux et chercheur dans les deux équipes. "Ces projets font progresser les possibilités de la recherche quantique."

L'édition du 9 mai de ACS Nano a présenté un article dans lequel les auteurs détaillent leur nouvelle technique utilisant la magnétométrie basée sur les lacunes d'azote pour étudier les propriétés magnétiques de nanorodes individuelles à croisement de spin fer-triazole et d'amas de nanoparticules.

Les études précédentes sur ces molécules magnétiques étaient principalement menées sur un format en vrac (solution ou poudre), ce qui rendait difficile l'étude de leur comportement magnétique individuel en raison de leur faible signal magnétique parasite.

Les chercheurs ont coulé des nanoparticules de fer triazole sur un substrat de diamant dopé avec des capteurs quantiques ultra-sensibles. Lorsqu'un faisceau de lumière verte traverse le substrat, les NV émettent une lumière rouge fluorescente à des vitesses variables en présence des nanobâtonnets et des nanoparticules. Ce changement de fluorescence illumine la zone et permet à une caméra à ultra haute résolution, en fonction du champ magnétique appliqué, de la fréquence micro-ondes et de la température, de suivre les spins fer-triazole au niveau des nanoparticules individuelles.

Laraoui a déclaré que les recherches de l'équipe montrent que cette technique améliore les capacités d'imagerie jusqu'à moins de 20 nanomètres, soit environ 5 000 fois plus petites qu'un cheveu humain, et peut-être même la sensibilité jusqu'à 10 nanomètres.

En utilisant un « interrupteur thermique » et un « aimant permanent », a expliqué Laraoui, l'équipe a pu contrôler les états de spin de nanorodes individuelles et réguler à la fois leurs niveaux de magnétisme et les champs magnétiques parasites qu'ils créent. Ces champs parasites sont très faibles et rendent plus difficile la mesure à l'aide de techniques traditionnelles, telles que la microscopie à force magnétique.

"Toute molécule comporte des composants, y compris des métaux de transition tels que le fer, qui sont magnétiques, et le spin de ces composants se comporte différemment en fonction de la température", a expliqué Laraoui. "À basse température, les spins n'ont aucun signal magnétique car ils s'annulent.

"Vous pouvez contrôler cela non seulement avec la température et un champ magnétique, mais aussi avec une tension appliquée de manière à commuter les spins des molécules magnétiques."

Laraoui a déclaré que la technique NV permettra l'étude de phénomènes magnétiques et physiques inexplorés à l'échelle nanométrique et conduira probablement à des percées dans la détection quantique, l'électronique de spin moléculaire et des domaines de la médecine, tels que la virologie et la recherche en sciences du cerveau.

Les chercheurs de la deuxième équipe ont utilisé un nouveau matériau hôte ultra-mince pour augmenter de 200 % la luminosité des émetteurs de photons uniques. Leur article a été publié dans l'édition du 3 mai de Advanced Optical Materials. .

Le nitrure de bore hexagonal (hBN), semblable au graphène dans la mesure où il est si fin qu'il est considéré comme pratiquement bidimensionnel, est devenu un élément hautement recherché pour les réseaux photoniques quantiques intégrés. Cependant, la faible efficacité quantique de la lumière quantique hébergée par hBN, également connue sous le nom d'émetteurs de photons uniques, constitue un défi.

L'équipe de Laraoui a concentré ses études sur les propriétés monophotoniques des structures nanophotoniques hybrides composées de SPE et de nanaocubes d'argent qui hébergent des excitations collectives d'électrons, également appelées plasmons.

Les chercheurs du Nebraska ont montré que lorsqu'un flocon de hBN est en contact direct avec des nanocubes d'argent plamoniques, une émission de lumière monophotonique forte et rapide à température ambiante crée une amélioration deux fois plus importante de la durée de vie et de l'intensité de la fluorescence du SPE.

"Ces SPE puissants et rapides obtenus à température ambiante peuvent être très utiles pour diverses applications émergentes dans les communications optiques quantiques et l'informatique", a déclaré Laraoui. "Si vous souhaitez quantifier le réseau photonique quantique ou améliorer les communications quantiques, vous pouvez désormais contrôler les propriétés."

"Les résultats prouvent que les émetteurs quantiques à l'état solide à température ambiante dans le hBN ou d'autres matériaux van der Waals bidimensionnels peuvent être des plates-formes idéales pour la photonique quantique intégrée."

Plus d'informations : Suvechhya Lamichhane et al, Magnétométrie à azote vacant de nanorodes individuelles à croisement de spin Fe-Triazole, ACS Nano (2023). DOI :10.1021/acsnano.3c01819

Mohammadjavad Dowran et al, Propriétés quantiques améliorées par plasmon des émetteurs de photons uniques avec des systèmes hybrides de nanocubes d'argent en nitrure de bore hexagonal, Matériaux optiques avancés (2023). DOI : 10.1002/adom.202300392

Informations sur le journal : Matériaux optiques avancés , ACS Nano

Fourni par l'Université du Nebraska-Lincoln