Criado um sensor quântico para o mundo atômico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/08/2024

O sensor quântico permite fazer uma ressonância magnética de átomos individuais.
[Imagem: Taner Esat et al. - 10.1038/s41565-024-01724-z]

Sensor em nível atômico

Enquanto a Nasa apresentava seu sensor de elétron único capaz de medir o campo magnético de um planeta inteiro, uma equipe da Alemanha e da Coreia do Sul desenvolveu um sensor capaz de detectar campos magnéticos minúsculos na escala de comprimento atômico.

Aqui a estrela não é apenas a miniaturização do próprio sensor, mas também de sua capacidade inédita de medir variações magnéticas que hoje escapam aos melhores instrumentos disponíveis.

E isto permitirá realizar um sonho antigo dos cientistas: Criar uma ferramenta semelhante à ressonância magnética, só que para os chamados "materiais quânticos", aqueles cujas propriedades são determinadas pelos princípios da mecânica quântica, a área da física que descreve o mundo nas escalas atômica e subatômica, onde as leis da física clássica, que descrevem o mundo macroscópico, perdem o poder explicativo.

O diâmetro de um átomo é um milhão de vezes menor do que o mais grosso fio de cabelo humano, o que torna extremamente desafiador detectar e medir com precisão quantidades físicas como campos elétricos e magnéticos emergindo dos átomos individuais. 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 entrelaçamento entre partículas - para fazer medições muito precisas. Vários tipos de sensores quânticos foram desenvolvidos nos últimos anos, muitos deles capazes de detectar campos elétricos e magnéticos bem fracos, mas o consenso na área era que a resolução espacial em escala atômica não poderia ser dominada simultaneamente.

Taner Esat e colegas do Instituto de Ciências Básicas, na Coreia do Sul, e do Centro de Pesquisa Jülich, na Alemanha, mostraram agora que essa crença era infundada.

Imagem da superfície de uma amostra de prata, resolvida atomicamente, obtida com o sensor quântico.
[Imagem: Taner Esat et al. - 10.1038/s41565-024-01724-z]

Sensor molecular

O sucesso na construção do novo sensor magnético em escala atômica se fundamentou no uso de uma única molécula.

Isto representa um modo conceitualmente diferente de detecção, já que a função da maioria dos outros sensores depende de um defeito - uma imperfeição - da rede cristalina de um material. Já que tais defeitos ganham suas propriedades interessantes 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 objetos reais na escala de átomos individuais.

A equipe então mudou a abordagem e desenvolveu uma ferramenta que usa uma única molécula fixada na ponta de um microscópio de varredura por tunelamento, uma ponta que já é quase tão fina quanto um único átomo, e aproxima-se dos materiais para detectar o relevo de sua estrutura cristalina com precisão atômica. Assim, a molécula capaz detectar as propriedades elétricas e magnéticas dos átomos pode ser trazida muito próxima do objeto real - o átomo de interesse.

"Este sensor quântico é um divisor de águas porque ele fornece imagens de materiais tão ricas quanto uma ressonância magnética e, ao mesmo tempo, define um novo padrão para a resolução espacial dos sensores quânticos. Isso nos permitirá explorar e entender materiais em seu nível mais fundamental," disse Esat, responsável pela concepção da molécula sensora.

O sensor molecular opera em conjunto com um microscópio eletrônico de tunelamento.
[Imagem: Taner Esat et al. - 10.1038/s41565-024-01724-z]

Resolução de 0,1 ângstrom

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 ângstrom, onde 1 ângstrom corresponde tipicamente a um diâmetro atômico. Além disso, o sensor pode ser construído e implementado em laboratórios existentes em todo o mundo.

E o sensor quântico inovador já está pronto para ser usado na engenharia de materiais e dispositivos quânticos, no projeto de novos catalisadores e na exploração do comportamento quântico fundamental de sistemas moleculares, como na bioquímica.

Mais tópicos