Longe de ser apenas um material passivo, o nanofio de diamante mostrou-se capaz de funcionar como uma fonte brilhante e estável de fótons individuais.
[Imagem: Jay Penni]
Fios de
diamante unem qubits para criar computador quântico
Cientistas criaram nanofios de diamante que apresentaram
propriedades inéditas, nunca vistas num único material, e longamente sonhadas
pelos pesquisadores.
As
propriedades dos nanofios de diamante, que ainda não foram totalmente
exploradas, mostram que eles são adequados para a fabricação de nanomateriais
ideais para a computação quântica, a criptografia quântica e para o imageamento
científico, entre várias outras possibilidades.
Computador de diamante
No início de
2009, pesquisadores australianos haviam construído o equivalente a fios
de diamante mas que eram, na verdade, ranhuras feitas ao longo
do diamante, embora permitam a transmissão direcionada de fótons.
Agora, a
equipe do professor Marko Loncar conseguiu construir fios de diamante de fato,
em nanoescala.
Praticamente
todos os elementos essenciais para a construção dos computadores quânticos já
foram demonstrados utilizando o diamante como material básico - veja, por
exemplo, Diamante tem qubits
para computador quântico a temperatura ambiente e Diamante tem qubit
natural para construção de computadores quânticos.
Até agora,
porém, ninguém havia conseguido construir os fios para interconectar esses
componentes, permitindo que eles troquem dados de maneira simples e direta,
fazendo o papel que os fios de ouro e cobre fazem no interior dos processadores
de um computador tradicional.
Fonte de luz
Mas o
resultado foi melhor do que o esperado. Longe de ser apenas um material
passivo, o nanofio de diamante mostrou-se capaz de funcionar como uma fonte
brilhante e estável de fótons individuais. Melhor ainda, ele faz isto a
temperatura ambiente.
Isto torna os
nanofios de diamante adequados não apenas para a fabricação de dispositivos
voltados para a computação e a comunicação quânticas, como também para a
viabilização dos chips ópticos -
que troquem dados utilizando luz em vez de eletricidade - e para aplicação em
áreas que vão desde o sensoriamento biológico e químico até a obtenção de
imagens científicas de amostras vivas em resoluções nunca antes alcançadas.
Diamantes coloridos
Ao contrário
do que se possa imaginar, os cientistas não tiraram proveito da conhecida
pureza dos diamantes - eles exploraram justamente seus defeitos, responsáveis
por criar as tonalidades dos diamantes coloridos.
Quando um
diamante apresenta tonalidades coloridas, isso acontece porque o cristal puro
de carbono possui em seu interior átomos de outros materiais, espécies de
impurezas que se incorporaram na matriz de carbono enquanto o diamante estava
se formando.
Por exemplo,
átomos de boro incorporados como impurezas na matriz de carbono resultam em
diamantes azuis, enquanto átomos de nitrogênio geram diamantes amarelos.
Quando são
aprisionados no interior dessa armadilha sólida, os átomos das impurezas forçam
a rede atômica do diamante a se curvar para acomodar as imperfeições. Do ponto
de vista de um joalheiro, isso cria as maravilhosas cores dos diamantes. Do
ponto de vista de um físico, eles alteram o estado eletrônico dos átomos.
Centro de cor
Quando se
constrói um nanofio de diamante que contenha em seu interior ou que se conecte
a uma dessas impurezas, o resultado é um fio capaz de gerar um intenso fluxo de
fótons em fila indiana, um logo após o outro, em perfeita ordem.
"O
nanofio de diamante funciona como uma antena em nanoescala que concentra os
fótons oriundos do centro de cor em uma lente microscópica," explica
Loncar, da Universidade de Harvard, que fez a descoberta com o auxílio de seus
colegas das universidades do Texas e de Munique, na Alemanha.
O centro de
cor ao qual o pesquisador se refere é o defeito na estrutura atômica do
diamante, gerada pela presença da impureza.
Qubit de diamante
Os cientistas
começaram a explorar as propriedades dos diamantes naturais depois de
aprenderem a manipular o spin do elétron - ou o seu momento angular intrínseco
- associado com um centro de cor no qual átomos de nitrogênio ficaram
adjacentes a lacunas na estrutura atômica do diamante - veja Diamante tem qubits
para computador quântico a temperatura ambiente.
O estado
quântico dessa lacuna de nitrogênio (nitrogen
vacancy), que funciona como um qubit - um bit quântico -, pode ter seu
estado inicializado e medido utilizando luz.
O centro de
cor "se comunica" através da emissão e da absorção de fótons. O fluxo
de fótons emitidos a partir do centro de cores proporciona um meio de levar a
informação resultante da inicialização do qubit, criando um dispositivo que
permite o controle, a captura e o armazenamento de fótons, essencial para
qualquer tipo de comunicação ou computação ópticas.
Nanofios de diamante
Mas resta um
problema: os centros de cor estão nas profundezas dos cristais de diamante,
tornando muito difícil lidar com os fótons manipulados em seu interior.
É aí que
entram os nanofios de diamante. Seja construindo-os sobre a superfície do
cristal onde está o centro de cor, seja incorporando os centros de cor em diversas
estruturas, torna-se possível acessar todos os recursos desse qubit natural de
um diamante impuro.
Os nanofios
de diamante fazem a interface com os centros de cor, uma espécie de sonda capaz
de levá-lo aos limites de seu brilho. Esse reforço das propriedades ópticas
aumenta a captura de fótons em um fator de 10 em comparação com um dispositivo
natural de diamante.
A seguir, é
só guiar os fótons para aproveitá-los de forma útil. Os resultados superam
todos os sistemas pesquisados até agora para utilização na computação quântica,
incluindo as moléculas fluorescentes, os pontos quânticos e os nanotubos de
carbono.
Computadores de cristal
Os
pesquisadores usaram uma técnica "de cima para baixo" de
nanofabricação para incorporar centros de cores em vários tipos de estruturas,
demonstrando a viabilidade da aplicação dos nanofios de diamante para
interconectar qubits, criando redes quânticas complexas.
O sistema
descrito no artigo científico é um conjunto com milhares de nanofios de
diamante, cada um com alguns micrômetros de altura e 200 nanômetros de
diâmetro, assentados sobre o cristal macroscópico de diamante a partir do qual
eles foram criados.
Como os
centros de cor não são distribuídos uniformemente no cristal de diamante
original, cada nanofio tem sua imperfeição em um ponto diferente, com
acoplamentos variáveis que resultam em variações na intensidade dos sinais
captados por cada nanofio, que funciona como uma espécie de antena para captar
o sinal do qubit.
No futuro,
uma técnica já desenvolvida, capaz de implantar íons seletivamente, poderá ser
utilizada para gerar centros de cor em posições predeterminadas, otimizando os
dispositivos.
"A
partir dessas amostras sintéticas de diamante nanoestruturado, nós podemos
começar a sonhar com dispositivos à base de diamante e sistemas que poderão um
dia levar a aplicações em ciência e tecnologia quânticas, assim como em novas
tecnologias de sensores e de imageamento," prevê o professor Loncar.
Bibliografia:
Artigo: A diamond nanowire single-photon source
Autores: Thomas M. Babinec, Birgit J. M. Hausmann, Mughees Khan, Yinan Zhang, Jeronimo R. Maze, Philip R. Hemmer, Marko Loncar
Revista: Nature Nanotechnology
Data: 14 February 2010
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nnano.2010.6
Artigo: A diamond nanowire single-photon source
Autores: Thomas M. Babinec, Birgit J. M. Hausmann, Mughees Khan, Yinan Zhang, Jeronimo R. Maze, Philip R. Hemmer, Marko Loncar
Revista: Nature Nanotechnology
Data: 14 February 2010
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nnano.2010.6
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