Criado primeiro sensor que mede campos magnéticos em qualquer direção

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/09/2024

Este é o tipo de defeito que todo físico gosta de encontrar.
[Imagem: Esquerda: Universidade de Oxford; direita: Ron Folman Lab/Berkeley]

Sensores naturais do diamante

Os melhores sensores disponíveis hoje para medir campos magnéticos - também conhecidos como magnetômetros - pertencem à classe dos "sensores quânticos", funcionando com base na reação de átomos individuais aos campos magnéticos que se deseja medir.

Sua parte ativa são defeitos atômicos naturais presentes no diamante, conhecidos como vacância de nitrogênio, ou centros de cor. Esses centros surgem quando dois átomos de carbono na rede cristalina do diamante são substituídos por um único átomo de nitrogênio, deixando uma "vaga" na rede cristalina.

Juntos, o átomo de nitrogênio e a vacância podem se comportar como uma entidade carregada negativamente com um spin próprio. Melhor do que isso, centros de vacância de nitrogênio são isolados do ambiente, o que significa que seu comportamento quântico é robusto e estável, o que os torna não apenas excelentes sensores, mas também qubits ideais para computadores quânticos.

E dá para usá-los para outras coisas, como medir praticamente qualquer coisa. Ao excitar um centro de cor repetidamente e coletar os fótons emitidos, é possível detectar seu estado de spin. E, como o estado de spin pode ser influenciado por variáveis externas, como campo magnético, campo elétrico, temperatura, força e pressão, os centros de vacância de nitrogênio do diamante podem ser usados como sensores em escala atômica, extremamente precisos.

Mas, no caso da detecção de campos magnéticos, há um problema: Os centros de cor só conseguem detectar campos magnéticos que estejam alinhados na mesma direção dos sensores. Assim, um magnetômetro prático precisa conter muitos sensores, colocados em diferentes ângulos de alinhamento, o que os torna difíceis de construir e usar e com uma precisão limitada à quantidade e posição dos sensores usados. Além disso, o fato de serem rígidos (o diamante é o material natural mais duro conhecido) significa que eles não podem se conformar às amostras que estão sendo estudadas.

Estrutura e micrografia do magnetômetro e seu teste em bancada.
[Imagem: Sam C. Scholten et al. - 10.1038/s41467-024-51129-8]

Sensor magnético omnidirecional

A boa notícia é que acaba de surgir uma alternativa muito mais versátil, descoberta por Sam Scholten e colegas da Universidade RMIT, na Austrália.

Scholten descobriu um defeito cristalino, do mesmo tipo que o existente no diamante, também baseado em carbono, só que no material bidimensional nitreto de boro hexagonal (hBN).

Especificamente, o nitreto de boro hexagonal tem uma vantagem crucial: A equipe descobriu que o defeito baseado no carbono se comporta como um sistema de meio spin (S=1/2). Já o spin no defeito de boro é igual a um. E essa natureza dupla que permite detectar campos magnéticos em qualquer direção.

Isto significa que usar esse centro de cor como um sensor quântico permitirá detectar campos magnéticos em qualquer direção e com ainda maior versatilidade: Como o material tem apenas uma camada atômica de espessura, ele se amolda a qualquer superfície, é transparente e não adiciona praticamente nenhuma massa ao dispositivo.

"Ter duas espécies de spin diferentes e independentemente endereçáveis dentro do mesmo material em temperatura ambiente é único, nem mesmo o diamante tem essa capacidade," comentou o professor Priya Singh. "Isso é emocionante porque cada espécie de spin tem suas vantagens e limitações, e então com o hBN podemos combinar o melhor dos dois mundos. Isso é importante especialmente para a detecção quântica, onde o spin meio permite a magnetometria omnidirecional, sem ponto cego, enquanto o spin um fornece informações direcionais quando necessário e também é um bom sensor de temperatura."

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