Ett par tvärvetenskapliga team med många av samma forskare utvecklar processer som gör det möjligt för forskare att bättre se in i nanoskalan och utnyttja kvantvärldens möjligheter.
De två projekten hade vardera artiklar publicerade i forskningstidskrifter samma vecka i maj och inkluderar forskare från fakultet och doktorander från flera akademiska avdelningar vid University of Nebraska–Lincoln—mekanik- och materialteknik, elektro- och datorteknik, kemi, fysik och astronomi.
Varje team stöds av Emergent Quantum Materials and Technologies, eller EQUATE, en delstat i Nebraska-sponsrad kohort med 20 fakulteter från flera institutioner för forskning som "vägleder upptäckter och påskyndar fynden av nya framväxande kvantmaterial och -fenomen."
"Det multidisciplinära tillvägagångssättet fungerar för dessa projekt eftersom det tillåter oss alla att fokusera på en aspekt som är avgörande för dess framgång", säger Abdelghani Laraoui, biträdande professor i maskin- och materialteknik och en forskare i båda teamen. "De här projekten främjar vad som är möjligt för kvantforskning."
9 maj-upplagan av ACS Nano presenterade en artikel där författarna beskriver sin nya teknik med användning av kvävevakansbaserad magnetometri för att studera de magnetiska egenskaperna hos individuella järn-triazolspinkorsade nanorods och nanopartikelkluster.
Tidigare studier på dessa magnetiska molekyler utfördes i första hand på ett bulkformat (lösning eller pulver), vilket gjorde det svårt att studera deras individuella magnetiska beteende på grund av deras svaga magnetiska strösignal.
Forskare droppgjutna järntriazolnanopartiklar på ett diamantsubstrat dopat med ultrakänsliga kvantsensorer. När en stråle av grönt ljus skjuts över substratet, fluorescerar NV:erna ett rött ljus i varierande hastighet i närvaro av nanorods och nanopartiklar. Denna förändring i fluorescens belyser området och gör att en kamera med ultrahög upplösning, som en funktion av det applicerade magnetfältet, mikrovågsfrekvensen och temperaturen, kan spåra järntriazolsnurrarna på den individuella nanopartikelnivån.
Laraoui sa att lagets forskning visar att den här tekniken förbättrar avbildningskapaciteten till under 20 nanometer – ungefär 5 000 gånger mindre än ett människohår – och kanske känsligheten till så låg som 10 nanometer.
Genom att använda en "termisk switch" och "permanent magnet", sa Laraoui, kunde teamet kontrollera spinntillstånden hos individuella nanorods och reglera både deras nivåer av magnetism och de strömagnetiska fälten de skapar. Dessa ströfält är mycket svaga och gör det svårare att mäta med traditionella tekniker, såsom magnetisk kraftmikroskopi.
"Varje molekyl som helst har komponenter, inklusive övergångsmetaller som järn, som är magnetiska, och dessa komponenters spinn beter sig olika beroende på temperaturen," sa Laraoui. "Vid lägre temperatur har spinnen ingen magnetisk signal eftersom de tar ut varandra.
"Du kan kontrollera detta inte bara med temperatur och ett magnetfält, utan med spänning som appliceras på sätt som växlar spinn av magnetiska molekyler."
Laraoui sa att NV-tekniken kommer att möjliggöra studier av outforskade magnetiska och fysikaliska fenomen på nanometerskala och sannolikt kommer att leda till genombrott inom kvantavkänning, molekylär spinelektronik och medicinområden, såsom virologi och hjärnvetenskaplig forskning.
Forskare i det andra laget använde ett framväxande, ultratunt värdmaterial för att öka ljusstyrkan hos enfotonemitters med 200 %. Deras artikel publicerades i 3 maj-upplagan av Advanced Optical Materials .
Hexagonal bornitrid (hBN), som liknar grafen genom att den är så tunn att den anses praktiskt taget tvådimensionell, har blivit ett mycket önskvärt element för integrerade kvantfotoniska nätverk. Den låga kvanteffektiviteten hos hBN-värdat kvantljus – även känd som singelfotonemitters – är en utmaning.
Laraouis team fokuserade sina studier på singelfotonegenskaper hos hybrida nanofotoniska strukturer som är sammansatta av SPE:er och silvernanaokuber som är värd för kollektiva excitationer av elektroner, även kända som plasmoner.
Forskarna från Nebraska visade att när en hBN-flinga är i direkt kontakt med nanokuber av plamonisk silver, skapar en stark och snabb enfotonemission av ljus vid rumstemperatur en två gånger större förbättring av SPE:s fluorescenslivslängd och intensitet.
"Dessa starka och snabba SPE erhållna vid rumstemperatur kan vara mycket användbara för olika framväxande applikationer inom kvantoptisk kommunikation och datoranvändning," sa Laraoui. "Om du vill kvantifiera kvantfotoniknätverket eller förbättra kvantkommunikationen kan du nu kontrollera egenskaperna."
"Resultaten bevisar att rumstemperatur, fasta kvantemitters i hBN eller andra tvådimensionella van der Waals-material kan vara idealiska plattformar för integrerad kvantfotonik."
Mer information: 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, Avancerade optiska material (2023). DOI:10.1002/adom.202300392
Journalinformation: Avancerat optiskt material , ACS Nano
Tillhandahålls av University of Nebraska-Lincoln
