Conceito de física de energia luminosa de diamante
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Antenas atômicas que usam diamantes aumentam a energia óptica em um milhão de vezes, permitindo novas pesquisas em física. Isto foi alcançado através da colaboração global entre teoria e experimentos. Crédito: SciTechDaily.com

A teoria tornou-se prática como novos trabalhos da Universidade de Chicago A Escola Pritzker de Engenharia Molecular aproveita a notável capacidade dos defeitos de diamante de concentrar energia óptica.

Os pesquisadores desenvolveram antenas atômicas usando centros vagos de germânio em diamantes, alcançando um aumento de energia óptica de um milhão de vezes. Este avanço permite o estudo da física fundamental e abre novos caminhos de pesquisa. A colaboração entre equipes teóricas e experimentais foi essencial para esse avanço.

Antenas Atômicas: Aproveitando a Luz para Sinais Poderosos

Semelhante à forma como uma antena de rádio capta uma transmissão do ar e concentra a energia em música, átomos individuais podem coletar e concentrar a energia da luz em um sinal forte e localizado que os pesquisadores podem usar para investigar os blocos de construção fundamentais da matéria.

Quanto mais poderoso for o aumento de intensidade, melhor será a antena. No entanto, os cientistas nunca foram capazes de explorar os potenciais enormes aumentos de intensidade de algumas “antenas atómicas” em materiais sólidos simplesmente porque eram sólidos.

Superando os desafios dos materiais sólidos

“Na maioria das vezes, quando você tem átomos em sólidos, eles interagem com o meio ambiente. Há muita desordem, eles são abalados por fônons e enfrentam outras interrupções que reduzem a coerência do sinal”, disse Alex High, professor assistente da Escola de Engenharia Molecular da UChicago Pritzker.

Em um novo artigo publicado em 7 de junho em Fotônica da Natureza, uma equipe multiinstitucional liderada pelo High Lab resolveu esse problema. Eles usaram centros vagos de germânio em diamantes para criar um aumento de energia óptica de seis ordens de magnitude, um regime difícil de alcançar com estruturas de antenas convencionais.

Zixi Li
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O candidato a doutorado Zixi Li, da Escola de Engenharia Molecular Pritzker da UChicago, é o co-primeiro autor de um novo artigo do laboratório da Asst. Prof. Alex High, que demonstra uma nova maneira de fornecer medições mais poderosas no nível atômico. Crédito: Foto de Hong Qiao / UChicago Pritzker School of Molecular Engineering

Antenas ópticas inovadoras com diamantes

Este aumento de energia de um milhão de vezes cria o que o artigo chama de antena óptica “exemplar” e fornece uma nova ferramenta que abre áreas de pesquisa inteiramente novas.

“Não é apenas um avanço tecnológico. É também um avanço na física fundamental”, disse Zixi Li, candidato ao doutorado do PME, coautor do artigo. “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.”

Da Teoria à Prática: Realizando Antenas Ópticas

A principal característica de uma antena óptica é que ela cria um dipolo eletrônico oscilante quando excitada em ressonância.

“Antenas ópticas são basicamente estruturas que interagem com campos eletromagnéticos e absorvem ou emitem luz em certas ressonâncias, como os elétrons que se movem entre os níveis de energia nesses centros de cores”, disse High.

O elétron oscila quando transita entre um estado excitado e um estado fundamental e concentra uma quantidade comparativamente grande de energia, tornando um dipolo óptico atômico em um sólido uma excelente antena – teoricamente.

“Não é apenas um avanço tecnológico. É também um avanço na física fundamental.”

Zixi Li, candidato a doutorado da Escola de Engenharia Molecular da UChicago Pritzker

Enfrentando os desafios em átomos de estado sólido

O que manteve essa capacidade teórica foi o facto de os átomos estarem em sólidos, sujeitos a todos os empurrões, interferências electrónicas e ruído geral que advêm do facto de fazerem parte de uma estrutura compacta. Os centros de cores – pequenos defeitos em diamantes e outros materiais com propriedades quânticas interessantes – forneceram uma solução à equipe.

“Algo que tem sido observado nos últimos sete ou oito anos é que certos tipos de centros de cor podem ser imunes a estes efeitos ambientais”, disse High.

Potencial de emissão de luz mecânica quântica

Isto abre oportunidades de investigação intrigantes, disse o co-autor Darrick Chang, do Instituto de Ciências Fotónicas de Barcelona, ​​Espanha.

“Para mim, o aspecto mais interessante de um centro de cores não é apenas o aprimoramento do campo, mas também o fato de que a luz emitida é intrinsecamente mecânica quântica”, disse ele. “Isso torna intrigante considerar se uma ‘antena óptica quântica’ pode ter um conjunto diferente de funcionalidades e mecanismos de funcionamento em comparação com uma antena óptica clássica.”

Colaborações abrindo caminho para inovações

Mas transformar esta teoria numa antena viável levou anos, a colaboração com investigadores de todo o mundo e a orientação teórica do Grupo Galli da UChicago.

“A colaboração entre teoria, computação e experimentos iniciada por Alex High não apenas contribuiu para a compreensão e interpretação da ciência central, mas também abriu novas linhas de pesquisa no lado computacional”, disse PME Liew Family Prof. Guilia Galli, co-autora No papel. “A colaboração tem sido extremamente frutífera.”

‘A magia de um centro de cores’

A imagem em nível atômico é uma combinação de amplificação e largura de banda – a força do sinal e a quantidade de sinal que você pode estudar. Por causa disso, o co-autor Xinghan Guo vê a nova técnica como um complemento, e não como uma substituição, das técnicas existentes.

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“Oferecemos uma amplificação muito maior, mas nossa largura de banda é mais estreita”, disse Guo, que concluiu recentemente seu doutorado na PME e agora é pesquisador de pós-doutorado em Yale. “Se você tem um sinal muito seletivo, com largura de banda estreita, mas que requer muita amplificação, pode vir até nós.”

Vantagens de novas técnicas

A nova técnica oferece outros benefícios além de apenas um sinal mais potente. Embora as técnicas existentes, como a espectroscopia Raman de molécula única e a espectroscopia FRET, aumentem o sinal explodindo-o com luz, esta técnica requer apenas nanowatts de energia para ser ativada. Isto significa um sinal forte sem o branqueamento, o aquecimento e a fluorescência de fundo que a luz excessiva cria.

Os centros de vacância de germânio também não dissipam energia à medida que são utilizados, ao contrário das antenas plasmônicas convencionais.

“A magia de um centro de cor é que ele é simultaneamente pontual e evita as perdas de um material plasmônico, permitindo-lhe manter seu extremo aprimoramento de campo”, disse Chang.

Descobertas futuras com antenas ópticas

Para a High, a parte interessante não é o novo formato da antena, mas as possíveis descobertas que elas farão.

“O que é interessante é que esta é uma característica geral”, disse High. “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 constroem novos dispositivos e nos ajudam a entender como o universo funciona.”

Referência: “Antenas ópticas atômicas em sólidos” por Zixi Li, Xinghan Guo, Yu Jin, Francesco Andreoli, Anil Bilgin, David D. Awschalom, Nazar Delegan, F. Joseph Heremans, Darrick Chang, Giulia Galli e Alexander A. High, 7 Junho de 2024, Fotônica da Natureza.
DOI: 10.1038/s41566-024-01456-5

Financiamento: Q-NEXT, apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Centros Nacionais de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica. ZL reconhece o apoio da bolsa Kadanoff-Rice (concessão nº NSF DMR-2011854). Os esforços relacionados ao crescimento de diamantes foram apoiados pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciências Básicas de Energia, Divisão de Ciência e Engenharia de Materiais.



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Formado em Educação Física, apaixonado por tecnologia, decidi criar o site news space em 2022 para divulgar meu trabalho, tenho como objetivo fornecer informações relevantes e descomplicadas sobre diversos assuntos, incluindo jogos, tecnologia, esportes, educação e muito mais.