Um método de seleção ótica e classificação de nanopartículas de acordo com suas propriedades mecânicas quânticas foi desenvolvido por pesquisadores no Japão. O método pode ser uma ferramenta crucial para os fabricantes de nanoestruturas que têm aplicações em sensoriamento quântico, imagens biológicas e tecnologia de informação quântica.
Os cientistas têm várias maneiras de manipular e posicionar objetos minúsculos sem tocá-los. As pinças ópticas, por exemplo, usam um feixe de laser altamente focado para gerar forças ópticas que prendem e movem objetos na trajetória do feixe. Essas pinças tornaram-se ferramentas poderosas em pesquisa biológica, microfluídica e micromecânica. No entanto, eles só podem manipular objetos relativamente grandes, porque a difração restringe o tamanho do ponto do feixe de laser de captura a cerca de metade do comprimento de onda da luz iluminante. Para luz vermelha com comprimento de onda de 700 nm e potência do laser de vários mW, por exemplo, as pinças só conseguem capturar e manipular de maneira estável objetos com diâmetro de aproximadamente 350 nm ou mais. Capturar e manipular partículas menores é um desafio porque a força óptica enfraquece conforme o volume da partícula diminui.
Nanodiamonds com centros luminescentes
No novo trabalho, uma equipe liderada por Hajime Ishihara da Universidade de Osaka e Keiji Sasaki da Universidade de Hokkaido desenvolveu uma maneira de classificar nanodiamonds, que são pequenos pedaços de pontos semicondutores com propriedades optoeletrônicas que derivam do diamante a granel, bem como de certos defeitos. Um desses defeitos, conhecido como centro de vacância de nitrogênio (NV), ocorre quando os átomos de carbono vizinhos na estrutura do diamante são substituídos por um átomo de nitrogênio e uma vacância. Esses defeitos são uma plataforma promissora para dispositivos de óptica quântica porque servem como centros luminescentes – o que significa que absorvem luz em uma frequência ressonante específica enquanto a emitem em outra.
Quando iluminados por um laser, os nanodiamantes dispersam a luz enquanto seus centros NV (se houver) a absorvem. A combinação de espalhamento de luz e absorção de momento de transferência dos fótons para as nanopartículas, e as diferentes transferências de momento experimentadas por nanodiamantes com e sem centros NV poderiam, em princípio, ser usadas para diferenciá-los. Na prática, porém, não é simples.
“Embora esses dois efeitos [espalhamento e absorção] produzam forças ópticas que podem ser usadas para mover as partículas na escala macroscópica, é difícil selecionar nanodiamantes que contenham centros NV de nanodiamantes prístinos circundantes que não contêm esses defeitos”. Ishihara e Sasaki explicam. “Isso ocorre porque a força óptica de dispersão do diamante bruto é muito mais forte do que a força óptica proveniente da luz absorvida pelos NVs.”
Restringindo o movimento das partículas
A solução dos pesquisadores foi equilibrar a força de espalhamento maior para que eles pudessem distinguir a força de absorção devido aos centros NV. Para fazer isso, eles enviam dois feixes de laser de cores diferentes que se propagam em direções opostas ao longo de uma nanofibra. Um intenso campo de luz evanescente se forma em torno dessa fibra, que tem vários milímetros de comprimento e um diâmetro de algumas centenas de nanômetros. Este campo, explicam Ishihara e Sasaki, permite que a luz se propague por longas distâncias enquanto permanece como um feixe fortemente focado, restringindo assim o movimento das nanopartículas presas dentro dele a uma dimensão.
Dentro de tal guia de ondas, o momento dos fótons é constante, tornando a configuração ideal para analisar as forças ópticas exercidas nas nanopartículas. Ao equilibrar as forças de absorção e espalhamento induzidas pelos dois feixes de laser ao longo da nanofibra, os pesquisadores foram capazes de transportar nanopartículas individuais de acordo com a presença de centros NV.
Enquanto a equipe se concentrou em nanodiamantes neste trabalho, Ishihara e Sasaki apontam que outras nanopartículas podem ser “alvos igualmente interessantes”. Na verdade, eles agora planejam estudar maneiras de aplicar métodos semelhantes a nanomateriais, como nanopartículas dopadas com corante orgânico e diferentes tipos de estruturas de pontos quânticos semicondutores. “Nosso objetivo é classificar nanopartículas com um único estado quântico (ou seja, com um único centro luminescente) e desenvolver uma técnica para classificar um grande número de partículas para uso em aplicações práticas”, disseram à Physics World.
Publicado em 30/01/2021 13h57
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