En la última década, se ha hecho un uso intensivo de los aceleradores en el campo de la tecnología cuántica para modificar y caracterizar materiales. Las técnicas basadas en aceleradores utilizan iones de alta energía para alterar las estructuras atómicas de los materiales, lo que permite a los científicos controlar el comportamiento de átomos individuales. El uso principal de los aceleradores ha sido en la implantación iónica, que es una técnica ampliamente utilizada en la industria de los semiconductores y que existe desde hace ya décadas.
“Para los semiconductores, se implanta un gran número de iones a efectos de cambiar las propiedades eléctricas del silicio, por ejemplo”, explica el Sr. Andrew Bettiol, Profesor Titular de la Universidad Nacional de Singapur. “Para las tecnologías cuánticas, tenemos un objetivo muy diferente: queremos controlar los iones al nivel de los iones individuales. No implantamos millones ni miles de millones de iones; implantamos exactamente un solo ion”.
La dificultad que entraña la implantación de un ion es determinar cuándo, dónde y si, de hecho, el ion se implanta. “Y que el ion se implante en el material no quiere decir que funcione de la manera en que debería como cúbit o centro de color”, dice el Sr. Bettiol. Los cúbits, o bits cuánticos, son versiones complejas de los bits portadores de información utilizados en la informática convencional, y los centros de color son defectos que emiten luz para la detección cuántica.
En mayo de 2021, el OIEA acogió un taller de capacitación de cuatro días sobre el uso de los haces de iones en la ingeniería de materiales. En el taller, se brindó una introducción a la instrumentación de los haces de iones focalizados y a la detección de iones individuales. Más de 80 participantes, la mitad de ellos de países en desarrollo, asistieron al taller virtual, que se realizó en el marco de un proyecto coordinado de investigación y tenía como objetivo mejorar la comprensión del campo de la energía cuántica y captar el interés de países en fase de incorporación. El taller también coincidió con la inauguración del curso de aprendizaje electrónico del OIEA titulado Ion-beam Engineering of Materials for Quantum Technologies, que tiene como objetivo atraer a la próxima generación de expertos en energía cuántica.
“El OIEA ha ido a la vanguardia en la coordinación de la colaboración, la investigación y el desarrollo internacionales sobre las tecnologías cuánticas en consonancia con iniciativas nacionales e internacionales”, dice la Sra. Aliz Simon, física nuclear del OIEA cuya labor se centra en los aceleradores. “El OIEA continúa con sus iniciativas en investigación coordinada para aprovechar los beneficios de la energía cuántica para el bienestar común de la sociedad”. Un nuevo proyecto del OIEA, que se espera que dé comienzo a finales de este año, impulsará el desarrollo y la optimización de una plataforma para la biodetección basada en los centros de color de los diamantes, lo que permitiría la exploración de mecanismos subcelulares. En el campo cuántico, los diamantes se utilizan como semiconductores para detectar secuencialmente campos eléctricos y magnéticos en células vivas individuales.
El diamante, en su forma más pura, es una retícula de átomos de carbono que tiene más de 500 defectos documentados que emiten luz. Uno de ellos es el centro de color nitrógeno-vacante (NV), el cual se produce cuando se quita un átomo de carbono para crear una vacante y un átomo de nitrógeno reemplaza un átomo de carbono adyacente. “Los centros de color NV pueden producirse naturalmente y se distribuyen aleatoriamente. Con los aceleradores, podemos crear artificialmente este defecto mediante implantación iónica en partes específicas dentro de los cristales de diamante a escala nanométrica”, dice el Sr. Bettiol. Entre los defectos conocidos del diamante, el centro NV puede insertarse en cristales de diamante a escala nanométrica, puede controlarse a temperatura ambiente y es biocompatible, es decir, no es perjudicial ni tóxico para los sistemas de vida.
Los centros NV de diamante tienen la capacidad de detectar campos magnéticos por medio de una técnica llamada resonancia magnética detectada ópticamente, u ODMR. La capacidad para obtener imágenes de campos magnéticos tiene implicaciones tanto en la biología como en la ciencia de los materiales. “Es una manera óptica de ver emisiones de luz y detectar campos magnéticos diminutos que se producen en procesos biológicos”, explica el Sr. Bettiol. “Esta técnica de biodetección cuántica podría aplicarse para visualizar o medir procesos que operan a nivel celular y tienen un campo magnético muy pequeño, como los campos magnéticos que se producen cuando se activan neuronas en nuestros cerebros”.
La investigación actual del Sr. Bettiol aplica la técnica ODMR para detectar la malaria. “Los glóbulos rojos infectados con malaria tienen partículas magnéticas diminutas que pueden detectarse con ODMR —indica—. Todo lo que produzca un campo electromagnético podría detectarse con este método”.
El próximo proyecto del OIEA investigará más a fondo la detección cuántica mediante ODMR, al igual que la caracterización y la optimización de los dispositivos de detección. Además, este proyecto, que reunirá a investigadores que tienen en común el interés por la biodetección, surge a partir de un proyecto anterior de mayor alcance que tenía como objetivo mejorar los instrumentos de haces de iones basados en aceleradores. “El OIEA es un buen vehículo para la colaboración y ha creado una comunidad para que los expertos intercambien información y aprendan unos de otros”, señala el Sr. Bettiol [1].
El diamante es un aislador eléctrico de amplia banda prohibida (5.5 eV) cuyos fuertes enlaces tipo sp3 lo convierten en un material que posee extraordinaria dureza. Además, este material conduce el calor mejor que el cobre, puede soportar grandes campos eléctricos, es transparente y puede ser utilizado como semiconductor cuando es dopado. En la configuración de este material cada átomo posee cuatro electrones de valencia y cuatro primeros vecinos, de manera que cada electrón de valencia posee un orbital hibridizado tipo sp3 que forma fuertes enlaces tipo σ con los átomos adyacentes. La fabricación de diamante policristalino mediante deposición de vapor y sus propiedades únicas han abierto una variedad de aplicaciones como un material de recubrimiento de alto desempeño. Muchas otras aplicaciones son posibles cuando el diamante presenta defectos llamados centros de color. Los centros de color en el diamante usualmente son muy estables bajo condiciones ambiente, convirtiendo al diamante en un material ópticamente activo con una variedad de aplicaciones. Por ejemplo, el centro de color NV− en el diamante tiene gran potencial en metrología cuántica debido a que este centro de color permite la medición de campos magnéticos, campos eléctricos, presión y temperatura. La medición de campos magnéticos permitiría adherir un pequeño diamante conteniendo un centro de color NV− a la punta de un sensor, mientras que utilizando el centro de color NV− es posible medir el campo eléctrico de un solo electrón a una distancia de aproximadamente 150 nm. Su capacidad de medir altas presiones ha sido de gran importancia en el estudio de superconductividad. Además, la característica de ser un sensor de temperatura en la escala nanométrica convierte al centro de color NV− en una poderosa herramienta en el estudio de sistemas biológicos. Por ejemplo, en la medición de gradientes de temperatura intracelular
El centro de color NV− en el diamante está siendo explorado con el objetivo de utilizarlo como medidor de campos electromagnéticos locales. Inicialmente se utilizaban moléculas aisladas y puntos cuánticos. Sin embargo estos emisores sufrían de intermitencia, mientras que el centro de color NV− posee una fotoluminiscencia estable a temperatura ambiente. La demostración de que el centro de color NV− permite la detección de campos eléctricos (lo cual requiere un control preciso del espín mediante el uso de campos eléctricos y magnéticos), ha situado al centro de color NV− como un sensor de campos universal en la nanoescala. De hecho, se espera que el centro de color NV− pueda ser usado para detectar el campo eléctrico de un solo electrón a una distancia de aproximadamente 150 nm. Esto ha enfatizado la necesidad de conocer en mas detalle la importancia del espín en el diamante [2].
[2] https://repositorio.uchile.cl/bitstream/handle/2250/175498/Centros-de-color-en-diamante.pdf
