Sensor quântico de ponta revela o mundo atômico oculto

Um novo sensor quântico desenvolvido por pesquisadores da Coreia e da Alemanha pode medir campos magnéticos em escala atômica com alta precisão. Essa tecnologia usa uma única molécula para detecção, oferecendo resolução superior e o potencial para avanços significativos em materiais quânticos e análise de sistemas moleculares.

Em um avanço científico, uma equipe de pesquisa internacional do IBS Center for Quantum Nanoscience (QNS) da Coreia e do Forschungszentrum Jülich da Alemanha desenvolveu um sensor quântico capaz de detectar campos magnéticos minúsculos na escala de comprimento atômico. Este trabalho pioneiro realiza um sonho antigo dos cientistas: uma ferramenta semelhante à ressonância magnética para materiais quânticos.

A equipe de pesquisa utilizou a experiência de fabricação de moléculas únicas de baixo para cima do grupo Jülich ao conduzir experimentos no QNS, utilizando a instrumentação de ponta e o conhecimento metodológico da equipe coreana para desenvolver o primeiro sensor quântico do mundo para o mundo atômico.

Desafios na medição em escala atômica

O diâmetro de um átomo é um milhão de vezes menor do que o mais grosso fio de cabelo humano. Isso torna extremamente desafiador visualizar e medir com precisão quantidades físicas como campos elétricos e magnéticos emergindo de átomos. Para sentir esses campos fracos de um único átomo, a ferramenta de observação deve ser altamente sensível e tão pequena quanto os próprios átomos.

Um sensor quântico é uma tecnologia que usa fenômenos mecânicos quânticos, como o spin de um elétron ou o emaranhamento de estados quânticos para medições precisas. Vários tipos de sensores quânticos foram desenvolvidos nos últimos anos. Embora muitos sensores quânticos sejam capazes de detectar campos elétricos e magnéticos, acreditava-se que a resolução espacial em escala atômica não poderia ser dominada simultaneamente.

A equipe de pesquisa atingiu níveis sem precedentes de sensibilidade e resolução espacial ao anexar uma molécula PTCDA à ponta do STM e medir ESR. Crédito: Institute for Basic Science

Inovações em tecnologia de detecção quântica

O sucesso do novo sensor quântico em escala atômica está no uso de uma única molécula. Esta é uma maneira conceitualmente diferente de detecção, já que a função da maioria dos outros sensores depende de um defeito – uma imperfeição – de uma rede cristalina. Já que tais defeitos desenvolvem suas propriedades somente quando estão profundamente embutidos no material, o defeito – capaz de detectar campos elétricos e magnéticos, sempre permanecerá a uma distância bastante grande do objeto, impedindo-o de ver o objeto real na escala de átomos individuais. A equipe de pesquisa mudou a abordagem e desenvolveu uma ferramenta que usa uma única molécula para detectar as propriedades elétricas e magnéticas dos átomos. A molécula é fixada na ponta do microscópio de tunelamento de varredura e pode ser trazida a algumas distâncias atômicas do objeto real.

O Dr. Taner Esat, autor principal da equipe de Jülich, expressou seu entusiasmo sobre as potenciais aplicações, afirmando: “Este sensor quântico é um divisor de águas porque fornece imagens de materiais tão ricos quanto uma ressonância magnética e, ao mesmo tempo, define um novo padrão para resolução espacial em sensores quânticos. Isso nos permitirá explorar e entender os materiais em seu nível mais fundamental.” A colaboração de longo prazo dependeu do Dr. Esat, anteriormente um pós-doutorado na QNS, que voltou para Jülich, onde concebeu esta molécula sensora. Ele escolheu retornar à QNS para uma estadia de pesquisa a fim de provar esta técnica usando os instrumentos de ponta do centro.

A equipe de pesquisa atingiu níveis sem precedentes de sensibilidade e resolução espacial ao anexar uma molécula PTCDA à ponta do STM e medir ESR. Crédito: Institute for Basic Science

Implicações e Perspectivas Futuras

O sensor tem uma resolução de energia que permite detectar mudanças em campos magnéticos e elétricos com uma resolução espacial da ordem de um décimo de um angstrom, onde 1 Ångström corresponde tipicamente a um diâmetro atômico. Além disso, o sensor quântico pode ser construído e implementado em laboratórios existentes em todo o mundo.

“O que torna essa conquista tão impressionante é que usamos um objeto quântico primorosamente projetado para resolver propriedades atômicas fundamentais de baixo para cima. Técnicas anteriores para visualizar materiais usam sondas grandes e volumosas para tentar analisar pequenas características atômicas”, enfatiza o autor principal do QNS, Dr. Dimitry Borodin. “Você tem que ser pequeno para ver pequeno.”

Este sensor quântico inovador está pronto para abrir caminhos transformadores para a engenharia de materiais e dispositivos quânticos, projetando novos catalisadores e explorando o comportamento quântico fundamental de sistemas moleculares, como na bioquímica. Como Yujeong Bae, PI da QNS para o projeto, observou: “A revolução nas ferramentas para observar e estudar a matéria emerge da ciência básica acumulada. Como Richard Feynman disse, 'Há muito espaço no fundo', o potencial da tecnologia para manipulação no nível atômico é infinito.” O professor Temirov, líder do grupo de pesquisa em Jülich, acrescenta: “É emocionante ver como nosso trabalho de longa data em manipulação molecular resultou na construção de um dispositivo quântico recordista.”

Os resultados da pesquisa foram publicados em Natureza Nanotecnologia em 25 de julho. O desenvolvimento deste sensor quântico em escala atômica marca um marco significativo no campo da tecnologia quântica e espera-se que tenha implicações de longo alcance em várias disciplinas científicas.

Referência: “Um sensor quântico para campos elétricos e magnéticos em escala atômica” por Taner Esat, Dmitriy Borodin, Jeongmin Oh, Andreas J. Heinrich, F. Stefan Tautz, Yujeong Bae e Ruslan Temirov, 25 de julho de 2024, Natureza Nanotecnologia.
DOI: 10.1038/s41565-024-01724-z