I ricercatori sviluppano un processo per vedere meglio gli oggetti nel regno della nanoscala

17 luglio 2023

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di Karl Vogel, Università del Nebraska-Lincoln

Un paio di team multidisciplinari con molti degli stessi ricercatori stanno sviluppando processi che consentano agli scienziati di vedere meglio la nanoscala e sfruttare le possibilità del regno quantistico.

Ciascuno dei due progetti ha avuto articoli pubblicati su riviste di ricerca nella stessa settimana di maggio e comprende docenti e ricercatori laureati provenienti da diversi dipartimenti accademici dell'Università del Nebraska-Lincoln: ingegneria meccanica e dei materiali, ingegneria elettrica e informatica, chimica, fisica e astronomia.

Ogni team è supportato dall'Emergent Quantum Materials and Technologies, o EQUATE, un gruppo sponsorizzato dallo stato del Nebraska di 20 docenti provenienti da più istituzioni per la ricerca che "guida le scoperte e accelera le scoperte di nuovi materiali e fenomeni quantistici emergenti".

"L'approccio multidisciplinare funziona per questi progetti perché consente a tutti noi di concentrarci su un aspetto vitale per il loro successo", ha affermato Abdelghani Laraoui, assistente professore di ingegneria meccanica e dei materiali e ricercatore di entrambi i team. "Questi progetti stanno facendo avanzare ciò che è possibile fare per la ricerca quantistica."

L'edizione del 9 maggio di ACS Nano presentava un articolo in cui gli autori descrivono in dettaglio la loro nuova tecnica che utilizza la magnetometria basata sui posti vacanti di azoto per studiare le proprietà magnetiche dei singoli nanotubi con spin crossover ferro-triazolo e dei cluster di nanoparticelle.

Precedenti studi su queste molecole magnetiche sono stati condotti principalmente su un formato sfuso (soluzione o polvere), rendendo difficile studiare il loro comportamento magnetico individuale a causa del loro debole segnale magnetico disperso.

I ricercatori hanno depositato nanoparticelle di triazolo di ferro su un substrato di diamante drogato con sensori quantistici ultrasensibili. Quando un raggio di luce verde viene proiettato attraverso il substrato, le NV emettono una luce rossa fluorescente a velocità variabili in presenza di nanobarre e nanoparticelle. Questo cambiamento nella fluorescenza illumina l’area e consente a una telecamera ad altissima risoluzione, in funzione del campo magnetico applicato, della frequenza delle microonde e della temperatura, di tracciare gli spin del ferro-triazolo a livello delle singole nanoparticelle.

Laraoui ha affermato che la ricerca del team mostra che questa tecnica migliora le capacità di imaging fino a meno di 20 nanometri – circa 5.000 volte più piccole di un capello umano – e forse la sensibilità fino a 10 nanometri.

Utilizzando un "interruttore termico" e un "magnete permanente", ha detto Laraoui, il team è stato in grado di controllare gli stati di spin dei singoli nanotubi e regolare sia i loro livelli di magnetismo che i campi magnetici vaganti che creano. Questi campi vaganti sono molto deboli e rendono più difficile la misurazione utilizzando tecniche tradizionali, come la microscopia a forza magnetica.

"Ogni molecola ha componenti, compresi i metalli di transizione come il ferro, che sono magnetici, e lo spin di questi componenti si comporta in modo diverso a seconda della temperatura", ha detto Laraoui. "A temperature più basse, gli spin non hanno segnale magnetico perché si annullano a vicenda.

"Puoi controllarlo non solo con la temperatura e un campo magnetico, ma con la tensione applicata in modo da cambiare gli spin delle molecole magnetiche."

Laraoui ha affermato che la tecnica NV consentirà lo studio di fenomeni magnetici e fisici inesplorati su scala nanometrica e probabilmente porterà a scoperte nel rilevamento quantistico, nell’elettronica dello spin molecolare e in campi della medicina, come la virologia e la ricerca sulle scienze del cervello.