Forscher entwickeln Verfahren, um Objekte im Nanobereich besser zu sehen

17. Juli 2023

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von Karl Vogel, University of Nebraska-Lincoln

Zwei multidisziplinäre Teams mit vielen der gleichen Forscher entwickeln Prozesse, die es Wissenschaftlern ermöglichen, einen besseren Einblick in die Nanoskala zu erhalten und die Möglichkeiten des Quantenbereichs zu nutzen.

Zu den beiden Projekten wurden jeweils in derselben Maiwoche Beiträge in Forschungszeitschriften veröffentlicht, an denen Lehrkräfte und Doktoranden aus mehreren akademischen Abteilungen der University of Nebraska-Lincoln beteiligt sind – Maschinenbau und Werkstofftechnik, Elektrotechnik und Computertechnik, Chemie, Physik und Astronomie.

Jedes Team wird von Emergent Quantum Materials and Technologies (EQUATE) unterstützt, einer vom Bundesstaat Nebraska gesponserten Kohorte von 20 Fakultäten aus verschiedenen Institutionen für Forschung, die „Entdeckungen leitet und Erkenntnisse über neu entstehende Quantenmaterialien und -phänomene beschleunigt“.

„Der multidisziplinäre Ansatz funktioniert bei diesen Projekten, weil er es uns allen ermöglicht, uns auf einen Aspekt zu konzentrieren, der für den Erfolg entscheidend ist“, sagte Abdelghani Laraoui, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Werkstofftechnik und Forscher beider Teams. „Diese Projekte treiben die Möglichkeiten der Quantenforschung voran.“

In der ACS Nano-Ausgabe vom 9. Mai wurde ein Artikel veröffentlicht, in dem die Autoren ihre neuartige Technik unter Verwendung der auf Stickstoffleerstellen basierenden Magnetometrie zur Untersuchung der magnetischen Eigenschaften einzelner Eisen-Triazol-Spin-Crossover-Nanostäbe und Nanopartikelcluster detailliert beschreiben.

Frühere Studien zu diesen magnetischen Molekülen wurden hauptsächlich in Massenform (Lösung oder Pulver) durchgeführt, was es aufgrund ihres schwachen magnetischen Streusignals schwierig machte, ihr individuelles magnetisches Verhalten zu untersuchen.

Forscher ließen Eisentriazol-Nanopartikel auf ein Diamantsubstrat fallen, das mit hochempfindlichen Quantensensoren dotiert war. Wenn ein grüner Lichtstrahl über das Substrat geschossen wird, fluoreszieren die NVs in Gegenwart der Nanostäbe und Nanopartikel mit unterschiedlicher Intensität in rotem Licht. Diese Änderung der Fluoreszenz beleuchtet den Bereich und ermöglicht es einer ultrahochauflösenden Kamera, abhängig vom angelegten Magnetfeld, der Mikrowellenfrequenz und der Temperatur die Eisen-Triazol-Spins auf der Ebene der einzelnen Nanopartikel zu verfolgen.

Laraoui sagte, die Forschung des Teams zeige, dass diese Technik die Bildgebungsfähigkeiten auf unter 20 Nanometer verbessert – etwa 5.000 Mal kleiner als ein menschliches Haar – und möglicherweise die Empfindlichkeit auf bis zu 10 Nanometer verbessert.

Durch die Verwendung eines „Thermoschalters“ und eines „Permanentmagneten“, sagte Laraoui, konnte das Team die Spinzustände einzelner Nanostäbe steuern und sowohl ihren Magnetismus als auch die von ihnen erzeugten magnetischen Streufelder regulieren. Diese Streufelder sind sehr schwach und erschweren die Messung mit herkömmlichen Techniken wie der Magnetkraftmikroskopie.

„Jedes Molekül besteht aus Komponenten, einschließlich Übergangsmetallen wie Eisen, die magnetisch sind, und der Spin dieser Komponenten verhält sich je nach Temperatur unterschiedlich“, sagte Laraoui. „Bei niedrigeren Temperaturen haben die Spins kein magnetisches Signal, weil sie sich gegenseitig aufheben.

„Sie können dies nicht nur durch Temperatur und ein Magnetfeld steuern, sondern auch durch angelegte Spannung, die die Spins magnetischer Moleküle umschaltet.“

Laraoui sagte, die NV-Technik werde die Untersuchung unerforschter magnetischer und physikalischer Phänomene im Nanometerbereich ermöglichen und wahrscheinlich zu Durchbrüchen in der Quantensensorik, der molekularen Spinelektronik und in Bereichen der Medizin wie Virologie und Hirnforschung führen.

Forscher des zweiten Teams nutzten ein neues, ultradünnes Wirtsmaterial, um die Helligkeit von Einzelphotonenemittern um 200 % zu erhöhen. Ihr Artikel wurde in der Ausgabe von Advanced Optical Materials vom 3. Mai veröffentlicht.

Hexagonales Bornitrid (hBN), ähnlich wie Graphen, da es so dünn ist, dass es praktisch als zweidimensional gilt, ist zu einem äußerst wünschenswerten Element für integrierte quantenphotonische Netzwerke geworden. Allerdings ist die geringe Quanteneffizienz von hBN-gehostetem Quantenlicht – auch als Einzelphotonenemitter bekannt – eine Herausforderung.

Laraouis Team konzentrierte seine Studien auf Einzelphotoneneigenschaften hybrider nanophotonischer Strukturen, die aus SPEs und Silbernanaocubes bestehen, die kollektive Anregungen von Elektronen, auch Plasmonen genannt, beherbergen.

Die Forscher aus Nebraska zeigten, dass bei direktem Kontakt einer hBN-Flocke mit plamonischen Silbernanowürfeln eine starke und schnelle Einzelphotonenemission von Licht bei Raumtemperatur zu einer zweifach stärkeren Verlängerung der Fluoreszenzlebensdauer und -intensität des SPE führt.

„Diese starken und schnellen SPEs, die bei Raumtemperatur erhalten werden, können für verschiedene neue Anwendungen in der quantenoptischen Kommunikation und Datenverarbeitung sehr nützlich sein“, sagte Laraoui. „Wenn Sie das Quantenphotonik-Netzwerk quantifizieren oder die Quantenkommunikation verbessern möchten, können Sie jetzt die Eigenschaften steuern.“

„Die Ergebnisse beweisen, dass Festkörper-Quantenemitter in hBN oder anderen zweidimensionalen Van-der-Waals-Materialien bei Raumtemperatur ideale Plattformen für die integrierte Quantenphotonik sein können.“

Mehr Informationen: 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 with Hybrid Hexagonal Bornitride Silver Nanocube Systems, Advanced Optical Materials (2023). DOI: 10.1002/adom.202300392

Zeitschrifteninformationen:ACS Nano, fortschrittliche optische Materialien

Bereitgestellt von der University of Nebraska-Lincoln