Nanodiamantes permitem femtosegundo

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 6286 (2023) Citar este artigo

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As propriedades quânticas dos nanodiamantes fluorescentes oferecem uma grande promessa para a fabricação de dispositivos quânticos para aplicações físicas. No entanto, os nanodiamantes precisam ser adequadamente combinados com um substrato para explorar suas propriedades. Aqui, mostramos que o vidro ultrafino e flexível (espessura de 30 mícrons) pode ser funcionalizado por nanodiamantes e nanoformado usando intensos pulsos de femtossegundos para projetar sensores quânticos híbridos nanomecânicos baseados em cantilever. Cantilevers de vidro ultrafinos assim fabricados mostram propriedades ópticas, eletrônicas e magnéticas estáveis ​​de centros de vacância de nitrogênio, incluindo fluorescência bem definida com linhas de fônon zero e ressonância magnética detectada opticamente (ODMR) perto de 2,87 GHz. Demonstramos várias aplicações de detecção do cantilever de vidro ultrafino fluorescente medindo pulsos acústicos, campo magnético externo usando a divisão Zeeman dos centros NV ou aquecimento induzido por laser CW medindo o deslocamento térmico das linhas ODMR. Este trabalho demonstra a adequação do vidro ultrafino fluorescente processado com femtosegundo como um novo substrato versátil para dispositivos quânticos multifuncionais.

Os centros de vacância de nitrogênio (NV) em nanopartículas de diamante têm atraído grande interesse no desenvolvimento de sistemas quânticos nanomecânicos híbridos (HNQ) devido às suas propriedades ópticas, térmicas, magnéticas e biológicas únicas com aplicações interdisciplinares em física, biologia, análise química e imagem1,2 ,3,4,5,6. Na maioria dos sistemas HNQ, os nanodiamantes que possuem um único ou conjunto de centros NV são acoplados a várias plataformas, como ressonador baseado em SiN, oscilador mecânico ou microcantilevers para detectar tensão, temperatura e campo magnético usando a alta sensibilidade dos estados quânticos NV ao seu ambiente local7,8,9. Além disso, os nanodiamantes foram injetados diretamente em vários sistemas para imagens de fluorescência e termometria de célula única com resolução em nanoescala10,11. Os centros NV fornecem uma promissora plataforma de estado sólido para tecnologias quânticas devido à sua operação em temperatura ambiente com longos tempos de coerência de spin12,13 e técnicas ópticas bem estabelecidas para inicialização de spin e leitura com alta fidelidade14,15. No entanto, há um interesse crescente na combinação de centros NV com novos materiais, bem como no desenvolvimento de novas técnicas de fabricação para explorar seu potencial de detecção quântica.

Anteriormente, os centros NV foram preparados em vários semicondutores e substratos isolantes na forma de cantilevers16,17,18, microcavidades19, perovskita cerâmica20 e membranas poliméricas21. Esses dispositivos HNQ fabricados em superfícies de diamante e silício têm as vantagens de serem leves e altamente responsivos às mudanças no ambiente local. Muitas aplicações potenciais dos sensores baseados em NV foram demonstradas, como medições de força por meio de sondas de varredura magnética e microscopia de força atômica (AFM)22,23, atuadores de alta velocidade20 e detecção de moléculas e proteínas individuais24,25,26. A técnica tradicional de gravação de ângulo tem sido usada para fabricar sistemas HNQ autônomos nas superfícies de diamante ou silício usando litografia por feixe de elétrons (EBL) e gravação de plasma anisotrópico sob alto vácuo16,27,28. Anteriormente, a interação de pulsos de laser de femtosegundo com centros NV foi estudada e esses pulsos de laser foram usados ​​para criar centros NV no chip de diamante29,30.

Recentemente, vidro de alta qualidade com 30 µm de espessura com excelentes propriedades mecânicas, alta flexibilidade, planicidade nanométrica da superfície e alta transparência óptica estão disponíveis comercialmente. O substrato de vidro ultrafino (UT) está se tornando essencial para várias aplicações do mercado de massa devido ao seu baixo custo, alta resistência superficial e excelente planicidade abaixo de 1 nm. O vidro UT tem sido usado para uma ampla gama de aplicações, como a fabricação de dispositivos microfluídicos31,32,33, dispositivos eletrônicos flexíveis34, fotônica35,36 e linhas de atraso attossegundo estáveis37. No entanto, a possibilidade de combinar as extraordinárias propriedades mecânicas do vidro UT com as propriedades quânticas do centro NV para a construção de sensores quânticos flexíveis permanece inexplorada. Alguém pode se perguntar se a capacidade de nanoprocessamento da ablação a laser de femtosegundo pode ser usada para fabricar cantilevers de detecção quântica baseados em vidro UT habilitados para nanodiamante.