Modificación cuántica: Uso de los aceleradores para implantar átomos individuales en la biodetección
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.
Centros de color para la detección cuántica
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).
En física, la resonancia magnética detectada ópticamente (ODMR) es una técnica de doble resonancia mediante la cual el estado de espín electrónico de un defecto de cristal se puede bombear ópticamente para la inicialización y lectura del espín.
Al igual que la resonancia paramagnética de electrones (EPR), la ODMR utiliza el efecto Zeeman en electrones desapareados. El centro de vacantes de nitrógeno cargado negativamente (NV−) ha sido objeto de un interés considerable con respecto a la realización de experimentos con ODMR.
La ODMR de NV−s en diamante tiene aplicaciones en magnetometría y detección, imágenes biomédicas, información cuántica y la exploración de la física fundamental.
La vacante de nitrógeno se produce en tres posibles estados de carga: positivo (NV +), neutro (NV 0) y negativo (NV −). Como NV− es el único de estos estados de carga que ha demostrado ser ODMR activo, a menudo se lo denomina simplemente NV.
La estructura de niveles de energía de la NV− consta de un estado fundamental triplete, un estado excitado triplete y dos estados singlete. Bajo excitación óptica resonante, la NV puede elevarse desde el estado fundamental del triplete al estado excitado del triplete. El centro puede entonces volver al estado fundamental a través de dos rutas; por la emisión de un fotón de 637 nm en la línea de fonones cero (ZPL) (o una longitud de onda más larga desde la banda lateral de fonones) o alternativamente a través de los estados de singlete antes mencionados a través del cruce entre sistemas y la emisión de un fotón de 1042 nm. Un retorno al estado fundamental por la última ruta resultará preferentemente al estado ms=0.
La Relajación al estado ms=0 necesariamente da como resultado una disminución en la fluorescencia de la longitud de onda visible (ya que el fotón emitido está en el rango infrarrojo). Aplicando microondas a una frecuencia resonante de 2.87 GHz coloca el centro en el estado degenerado ms =±1 La aplicación de un campo magnético elimina esta degeneración, provocando la división Zeeman y la disminución de la fluorescencia en dos frecuencias resonantes, dadas por 
donde ℎ es la constante de Planck, ge es el factor g del electrón y Bo es el magnetón de Bohr. El barrido del campo de microondas a través de estas frecuencias da como resultado dos caídas características en la fluorescencia observada, cuya separación permite determinar el campo magnético (2).
La excitación con luz verde coloca al NV en el estado excitado triplete. La relajación luego emite un fotón rojo o infrarrojo (no detectado), colocando el centro en el estado ms =0. La aplicación de microondas eleva el centro al estado ms=±1 donde puede ocurrir la división de Zeeman.
- https://www.iaea.org/es/bulletin/Modificación cuántica: Uso de los aceleradores para implantar átomos individuales en la biodetección | OIEA (iaea.org)
https://en.wikipedia.org/wiki/Optically detected magnetic resonance – Wikipedia
