Cercetătorii citesc spinii electronici din cristalele poroase, deschizând calea către senzori chimici cuantici
O colaborare internațională la care participă cercetători de la Universitatea din Glasgow a reușit, în premieră, să citească cu ajutorul luminii spinul magnetic al electronilor captivi în interiorul unui material cristalin poros cunoscut sub numele de cadru metalo-organic (MOF). Rezultatele ar putea duce la o nouă generație de senzori cuantici.
Echipa a inclus cercetători de la Universitatea din Tokyo, Universitatea din Glasgow, Universitatea din Sheffield și Universitatea Kobe. Lucrarea se bazează pe cercetări anterioare privind o metodă de detectare a spinilor electronici cu ajutorul luminii, numită rezonanță magnetică detectată optic, sau ODMR. Tehnica a atras atenția ca metodă utilă pentru citirea qubiților de spin în senzoristica cuantică.
Dezvoltarea marchează un pas important spre utilizarea MOF-urilor, considerate materiale promițătoare pentru aplicațiile de senzoristică cuantică, pentru detectarea substanțelor chimice cu o sensibilitate extraordinară în viitoarele dispozitive de detectare.
Dr. Sam Bayliss și Dr. Alistair Inglis, de la Școala de Inginerie James Watt, au condus contribuția Universității din Glasgow la această cercetare. La studiu au colaborat și colegi de la Universitatea din Tokyo, Universitatea din Sheffield, Universitatea Saitama, JEOL Ltd., Institutul de Științe Moleculare și Universitatea Kobe.
Citirea spinilor din interiorul scheletelor moleculare
Bayliss a explicat că MOF-urile sunt, în esență, schele moleculare — structuri rigide și poroase pe care colegii de la Universitatea din Tokyo le-au sintetizat și care au un mare potențial pentru aplicațiile de senzoristică. La Centrul de Cercetare Avansată al Universității din Glasgow, echipa a citit starea magnetică a spinilor ținuți în interiorul unuia dintre aceste cadre cu ajutorul luminii, prin rezonanță magnetică detectată optic. Este prima dată când cineva măsoară rezonanța de spin în acest mod într-un astfel de material.
Inglis a adăugat că aspectul emoționant este că rezonanța de spin nu oferă informații doar despre moleculele în sine, ci și despre mediul în care acestea există, ceea ce înseamnă că materialele respective pot fi folosite ca senzori. Deoarece MOF-urile sunt poroase, se pot încărca, în principiu, molecule-țintă în schelet și citi cu aceeași tehnică, oferind detectare la scară moleculară. Următorul pas este să se ajungă la funcționarea la temperaturi mai practice și să se ajusteze chimia pentru a obține un semnal mai puternic.
Sensibilitate sporită și control chimic
Spinii electronici care pot fi detectați prin lumină pot fi identificați cu o sensibilitate și o rezoluție spațială mai mari decât în cazul rezonanței electronice de spin (ESR), care se bazează pe detecția cu microunde. Acest lucru îi face potriviți pentru senzoristica cuantică și au fost subiectul unor cercetări intense în ultimii ani.
Centrii de azot-vacanță din diamant sunt un exemplu bine studiat de spini electronici detectabili optic. Totuși, pentru că folosesc spini prezenți în defecte din interiorul cristalului, există limitări în privința controlabilității lor și a interacțiunilor cu substanțele externe. Spinii derivați din molecule, în schimb, sunt controlabili chimic — structurile lor pot fi proiectate, iar proprietățile de spin ajustate. Cadrele metalo-organice merg chiar mai departe, controlând poziția și orientarea spinilor electronici, totul în interiorul unui material poros.
Spre un „nas cuantic”
Deoarece sunt poroase, substanțele chimice-țintă pot fi adsorbite în interiorul porilor și detectate prin inducerea unor interacțiuni de apropiere cu spinii. Având în vedere aceste avantaje, MOF-urile au fost considerate materiale promițătoare pentru senzoristica cuantică; cu toate acestea, detectarea optică a spinilor în interiorul MOF-urilor nu fusese demonstrată înainte de acest studiu.
Întrucât MOF-urile sunt materiale care pot fi proiectate într-o mare varietate de moduri, prin schimbarea liganzilor și a structurilor cristaline, echipa afirmă că demonstrația sa ar putea fi extinsă la multe materiale înrudite. O bibliotecă de astfel de MOF-uri, fiecare reacționând diferit la anumite substanțe chimice, ar putea funcționa ca un „nas cuantic”, identificând substanțele pe baza tiparelor lor de răspuns.
