Antenas ópticas quânticas viabilizam medições no nível atômico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/06/2024

A antena atômica usa os mesmos defeitos cristalinos usados como qubits para os computadores quânticos.
[Imagem: Gerado por IA/DALL-E]

Antenas atômicas

De modo semelhante a uma antena de rádio captando uma transmissão e concentrando a energia das ondas que se irradiam pelo ar, átomos individuais podem coletar e concentrar a energia da luz em um sinal forte e localizado.

Quanto mais poderoso for o aumento de intensidade do sinal, melhor será a antena, e isto é fundamental porque essa nanoantena óptica pode ser usada para estudar a matéria em seus constituintes mais básicos, e muito mais do que isso, por exemplo ativando defeitos muito especiais em escala atômica, conhecidos como centros de cor, que podem ser usados como qubits para os computadores quânticos.

Mas havia um problema: Os cientistas nunca foram capazes de explorar todo o enorme potencial dessas antenas atômicas em materiais sólidos simplesmente porque eles são sólidos, o que significa que as antenas sofrem interferência o tempo todo dos átomos ao redor.

"Na maioria das vezes, quando você tem átomos em sólidos, eles interagem com o ambiente. Há muita desordem, eles são abalados por fônons e enfrentam outras perturbações que reduzem a coerência do sinal," explica o professor Alex High, da Universidade de Chicago, nos EUA.

Vacâncias

Mas a pesquisadora Zixi Li acaba de encontrar uma solução para esse problema: Ele usou exatamente os centros de cor nos diamantes para criar uma amplificação de energia óptica de seis ordens de magnitude (10⁶), algo dificilmente alcançável com antenas convencionais.

Este aumento de energia de um milhão de vezes cria o que a pesquisadora chama de antena óptica "exemplar", fornecendo uma nova ferramenta que abre áreas de pesquisa inteiramente novas.

"Não é apenas um avanço na tecnologia. É também um avanço na física fundamental," disse Li. "Embora seja bem sabido que um dipolo atômico excitado pode gerar um campo próximo com enorme intensidade, ninguém jamais demonstrou isso em um experimento antes."

Os centros de cor, ou vacâncias, são ausências de átomos que deveriam fazer parte da estrutura cristalina, por isso são considerados "defeitos" cristalinos. No diamante - eles existem também em outros materiais cristalinos -, os defeitos mais comuns são vacâncias de nitrogênio, mas a equipe trabalhou com vacâncias de germânio.

A nanoantena amplifica um sinal de luz em 1.000.000 de vezes usando um único átomo.
[Imagem: Zixi Li et al. - 10.1038/s41566-024-01456-5]

Antenas ópticas quânticas

Os pequenos defeitos cristalinos permitiram eliminar as interferências dos demais átomos do material sólido porque eles são sistemas inteiramente regidos pela mecânica quântica, o que significa que eles não estão sujeitos aos mesmos mecanismos que interferem com o funcionamento das antenas normais - eles são essencialmente "antenas ópticas quânticas", virtualmente imunes aos efeitos do ambiente.

E há outros benefícios além de apenas um sinal mais potente. Embora as técnicas existentes, como a espectroscopia Raman de molécula única e a espectroscopia FRET (Transferência de Energia por Ressonância de Fluorescência), aumentem o sinal "explodindo-o" com luz, esta nova técnica requer apenas nanowatts de energia para ser ativada. Isto significa um sinal forte sem o aquecimento e a fluorescência de fundo que a luz excessiva cria.

"Podemos integrar esses centros de cores em uma enorme variedade de sistemas e, então, podemos usá-los como antenas locais para desenvolver novos processos que criem novos dispositivos e nos ajudem a entender como o universo funciona," disse o professor Alexander High, coordenador da equipe.

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