Mecánica cuántica, la física que gobierna la naturaleza a escala atómica y subatómica, contiene una serie de nuevos fenómenos físicos para explorar estados cuánticos a nanoescala. Aunque complicado, Hay formas de explotar estos sistemas inherentemente frágiles y sensibles para la detección cuántica. Una tecnología incipiente en particular hace uso de defectos puntuales, o extravíos de un solo átomo, en materiales a nanoescala, como nanopartículas de diamante, para medir campos electromagnéticos, temperatura, presión, frecuencia y otras variables con una precisión y exactitud sin precedentes.

La detección cuántica podría revolucionar los diagnósticos médicos, permitir el desarrollo de nuevos fármacos, mejorar el diseño de dispositivos electrónicos y más.

Para uso en detección cuántica, el cristal de nanodiamantes a granel que rodea el defecto puntual debe ser muy perfecto. Cualquier desviación de la perfección, como átomos faltantes adicionales, colar en la celosía cristalina del diamante, o la presencia de otras impurezas, afectará negativamente el comportamiento cuántico del material. Los nanodiamantes altamente perfectos también son bastante caros y difíciles de fabricar.

Una alternativa más económica, dicen los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne y la Universidad de Chicago, es tomar lleno de defectos, baja calidad, diamantes fabricados comercialmente, y luego "curarlos".

En un artículo publicado esta semana en Materiales APL , de AIP Publishing, los investigadores describen un método para curar nanocristales de diamantes en condiciones de alta temperatura, mientras visualiza los cristales en tres dimensiones utilizando una técnica de imagen de rayos X.

"La detección cuántica se basa en las propiedades únicas de ciertos defectos puntuales ópticamente activos en nanoestructuras semiconductoras, "dijo F. Joseph Heremans, un científico del personal del Laboratorio Nacional de Argonne y coautor del artículo.

Estos defectos, como los centros de nitrógeno vacante (NV) en diamante, se crean cuando un átomo de nitrógeno reemplaza a un átomo de carbono adyacente a una vacante en la estructura reticular del diamante. Son extremadamente sensibles a su entorno, haciéndolos útiles sondas de temperaturas locales, así como campos eléctricos y magnéticos, con una resolución espacial más de 100 veces menor que el grosor de un cabello humano.

Debido a que los diamantes son biológicamente inertes, sensores cuánticos basados ​​en nanopartículas de diamante, que puede funcionar a temperatura ambiente y detectar varios factores simultáneamente, incluso podría colocarse dentro de células vivas, donde pudieran, según Heremans, "sistemas de imágenes de adentro hacia afuera".

Heremans y sus colegas, incluidos Wonsuk Cha y Paul Fuoss de Argonne, así como David Awschalom de la Universidad de Chicago, se propuso trazar un mapa de la distribución de la cepa cristalina en nanodiamantes y rastrear la curación de estas imperfecciones sometiéndolas a altas temperaturas, hasta 800 grados Celsius en un entorno de helio inerte.

"Nuestra idea del proceso de 'curación' es que los huecos en la red se llenan a medida que los átomos se mueven cuando el cristal se calienta a altas temperaturas, mejorando así la homogeneidad de la red cristalina, "dijo Stephan Hruszkewycz, también científico de planta en Argonne y autor principal del artículo.

Esta curación de nanodiamantes se controló con un método de microscopía 3-D llamado imagen de difracción coherente de Bragg, realizado sometiendo los cristales a un haz de rayos X coherente en la Fuente de Fotones Avanzada en Argonne. El haz de rayos X que dispersa los nanodiamantes fue detectado y utilizado para reconstruir la forma tridimensional del nanocristal. "y, más importante, el estado de deformación del cristal, "Dijo Hruszkewycz.

Los investigadores encontraron que los nanodiamantes se "encogen" durante el proceso de recocido a alta temperatura, y supongo que esto ocurre debido a un fenómeno llamado grafitización. Este fenómeno ocurre cuando la superficie del material se convierte de la disposición normal de celosía de diamante en grafito, una sola capa de átomos de carbono dispuestos en forma de alambre de gallina.

El estudio marca la primera vez que se ha demostrado que las imágenes de difracción coherente de Bragg son útiles a temperaturas tan altas. una capacidad que, Hruszkewycz dijo:"permite la exploración de cambios estructurales en importantes materiales nanocristalinos a altas temperaturas que son de difícil acceso con otras técnicas de microscopía".

Hruszkewycz agregó que la investigación representa "un paso significativo hacia el desarrollo de métodos escalables de procesamiento económicos, nanodiamantes comerciales para detección cuántica y procesamiento de información ".