terça-feira, 4 de junho de 2013

Diamantes imperfeitos são promessa de sensores perfeitos

     Desde o cérebro, passando pelo coração e chegando ao estômago, os corpos dos animais geram campos magnéticos fracos que um detector ultrassensível poderia usar para descobrir doenças, rastrear drogas e, quem sabe, até ler mentes. Sensores do tamanho da unha do polegar poderiam mapear depósitos de gás no subsolo, analisar substâncias químicas e descobrir explosivos que poderiam se esconder de outras sondas.
     Agora, os cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), do Departamento de Energia e da Universidade da California em Berkeley, em conjunto com seus colegas da Universidade Harvard, conseguiram aumentar o desempenho de um dos mais potentes possíveis sensores de campos magnéticos em nanoescala – um defeito em um diamante do tamanho de um par de átomos, chamado de “centro de nitrogênio-vacância” (CNV).
     As descobertas da equipe de pesquisadores podem, eventualmente, permitir a fabricação de relógios menores que um chip de computador e, ainda assim, com precisão de milionésimo de bilionésimo de segundo (10-15 s), ou sensores de rotação mais rápidos e com maior tolerância a temperaturas extremas do que os giroscópios em smartphones. Em pouco tempo, um chip barato de diamante pode ser capaz de acomodar um computador quântico. A equipe relata seus resultados em Nature Communications (http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n4/full/ncomms2771.html).
     Centros de nitrogênio-vacância são alguns dos defeitos mais comuns em diamantes. Quando um átomo de nitrogênio substitui um átomo de carbono no cristal de diamante e emparelha com um espaço vazio adjacente (onde falta um átomo de carbono que devia estar lá), elétrons não ligados ao carbono que falta ficam no centro.
     Os estados dos spins dos elétrons são bem definidos e muito sensíveis a campos magnéticos, campos elétricos e luz, de forma que podem ser facilmente dispostos, ajustados e lidos por lasers.


Centros de nitrogênio-vacância (CNV's) ocorrem naturalmente em diamantes ou podem ser criados artificialmente.
     “Os estados de spin dos CNV s são estáveis ao longo de um amplo espectro de temperaturas, de muito quente a muito frio”, diz Dmitry Budker, da Divisão de Ciência Nuclear do Berkeley Lab, que também é professor de física da UC Berkeley. Mesmo pequenas lascas de diamante que custam centavos por grama, podem ser usadas como sensores, porque, como afirma Budker, “nós podemos controlar o número de CNV's no diamante apenas irradiando-os ou cozinhando-os”, ou seja, tratando-os termicamente.
     O desafio é manter a informação inerente nos estados de spin do CNV  uma vez que esta tenha sido lá codificada, sem deixá-la vazar antes que se possam realizar medições. Nos CNV's, isso requer a extensão do que é chamado de tempo de “coerência” dos spins dos elétrons, ou seja, o tempo que os spins permanecem sincronizados entre si.
     Recentemente, Budker trabalhou com Ronald Walsworth, de Harvard, em uma equipe que incluía Nir Bar-Gill, de Harvard, e  Andrey Jarmola, pesquisador de pós-doutorado da UC Berkeley. Eles conseguiram estender o tempo de coerência de um conjunto de spins de elétrons de um CNV por mais de duas ordens de grandeza acima das experiências anteriores.
     “Para mim, o aspecto mais entusiasmante deste resultado é a possibilidade de estudar as mudanças nas formas com que os CNV's interagem entre si”, diz Bar-Gill, autor principal do artigo. “Isto é possível porque os tempos de coerência são muito mais longos do que aquele necessário para as interações entre os CNV's”.
     E Bar-Gill acrescenta, “agora podemos imaginar a engenharia de amostras de diamantes para realizar arquiteturas de computação quântica”. Os CNV's interativos fazem o papel dos bits em computadores quânticos, chamados qubits. Enquanto um dígito binário (bit) representa um 1 ou um 0, um qubit representa um 1 e um 0 superpostos, um estado de simultaneidade tipo “gato de Schrödinger” que persiste enquanto os estados forem coerentes, até que uma medição seja feita e faça colapsar todos os qubits emaranhados de uma só vez.
     “Nós empregamos alguns truques para nos livrarmos de fontes de descoerência”, diz Budker. “Um deles foi usar amostras de diamante especialmente preparadas para serem feitas apenas de carbono-12 puro″. Os diamantes naturais incluem uma pequena quantidade do isótopo carbono-13, cujo spin nuclear acelera a descoerência dos spins dos elétrons dos CNV's  O carbono-12 tem spin nuclear nulo.
     “O outro truque foi baixar a temperatura até a do nitrogênio líquido”, diz Budker. A descoerência foi reduzida pelo resfriamento das amostras a 77 K (-196oC), bem abaixo da temperatura ambiente, mas facilmente obtenível.
Trabalhando em conjunto no laboratório de Budker, os membros da equipe montaram os diamantes dentro de um criostato. Um feixe de laser atravessando o diamante, conjugado com um campo magnético, ajustou os spins dos elétrons no CNV e os fez fluorescer.  O brilho fluorescente foi uma medida da coerência dos estados de spin.
     “Controlar o spin é essencial”, explica Budker, “de forma que pegamos emprestada uma ideia da ressonância magnética nuclear” – a base de procedimentos familiares como o Imageamento por Ressonância Magnética (IRM) nos hospitais.
     Embora seja diferente do spin nuclear, a coerência dos spins dos elétrons pode ser estendida com técnicas semelhantes. Assim, quando os estados dos spins nos CNV's chegavam à beira da descoerência, os pesquisadores sacudiam o diamante com uma série de até 10.000 curtos pulsos de micro-ondas. Os pulsos invertiam os spins dos elétrons quando começavam a perder o sincronismo mútuo, produzindo “ecos”, nos quais os spins invertidos se auto-ajustavam. A coerência era re-estabelecida.
     Eventualmente, os pesquisadores conseguiram tempos de coerência de spin de mais de meio segundo. “Nossos resultados são realmente brilhantes para o sensoriamento de campos magnéticos e para informação quântica”, diz Bar-Gill.
     Longos tempos de coerência de spin se somam às vantagens que os diamantes já têm, colocando os CNV's de diamantes na vanguarda dos potenciais candidatos para computadores quânticos práticos – uma busca favorita dos pesquisadores de Harvard. O que o grupo de Budker acredita ser uma perspectiva ainda mais interessante é o potencial que os longos tempos de coerência apresentam no sensoriamento de campos magnéticos oscilantes, com aplicações que vão da biofísica à defesa.
(Fonte: http://www.eurekalert.org/pub_releases/2013-05/dbnl-fdp050913.php?)

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