I nanodiamanti consentono il femtosecondo

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6286 (2023) Citare questo articolo

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Le proprietà quantistiche dei nanodiamanti fluorescenti offrono grandi promesse per la fabbricazione di dispositivi quantistici per applicazioni fisiche. Tuttavia, i nanodiamanti necessitano di essere opportunamente combinati con un substrato per sfruttarne le proprietà. Qui, mostriamo che il vetro ultrasottile e flessibile (spessore 30 micron) può essere funzionalizzato da nanodiamanti e nanoformato utilizzando intensi impulsi al femtosecondo per progettare sensori quantistici ibridi nanomeccanici basati su cantilever. I cantilever in vetro ultrasottile così fabbricati mostrano proprietà ottiche, elettroniche e magnetiche stabili dei centri di azoto vacanti, inclusa una fluorescenza ben definita con linee a zero fononi e risonanza magnetica rilevata otticamente (ODMR) vicino a 2,87 GHz. Dimostriamo diverse applicazioni di rilevamento del cantilever in vetro ultrasottile fluorescente misurando gli impulsi acustici, il campo magnetico esterno utilizzando la suddivisione Zeeman dei centri NV o il riscaldamento indotto dal laser CW misurando lo spostamento termico delle linee ODMR. Questo lavoro dimostra l'idoneità del vetro ultrasottile fluorescente trattato al femtosecondo come nuovo substrato versatile per dispositivi quantistici multifunzionali.

I centri di azoto vacante (NV) nelle nanoparticelle di diamante hanno suscitato grande interesse nello sviluppo di sistemi ibridi quantistici nanomeccanici (HNQ) grazie alle loro proprietà ottiche, termiche, magnetiche e biologiche uniche con applicazioni interdisciplinari in fisica, biologia, analisi chimica e imaging1,2 ,3,4,5,6. Nella maggior parte dei sistemi HNQ, i nanodiamanti che possiedono un singolo o un insieme di centri NV sono accoppiati con varie piattaforme come risonatore basato su SiN, oscillatore meccanico o micro-cantilever per rilevare stress, temperatura e campo magnetico utilizzando l'elevata sensibilità degli stati quantistici NV al suo ambiente locale7,8,9. Inoltre, i nanodiamanti sono stati iniettati direttamente in vari sistemi per l'imaging a fluorescenza e la termometria a cellula singola con risoluzione su scala nanometrica10,11. I centri NV forniscono una promettente piattaforma a stato solido per le tecnologie quantistiche grazie al suo funzionamento a temperatura ambiente con lunghi tempi di coerenza di spin12,13 e tecniche ottiche consolidate per l'inizializzazione dello spin e la lettura ad alta fedeltà14,15. Tuttavia, vi è un crescente interesse nel combinare i centri NV con nuovi materiali nonché nello sviluppare nuove tecniche di fabbricazione per sfruttarne il potenziale per il rilevamento quantistico.

In precedenza, i centri NV sono stati preparati su vari substrati semiconduttori e isolanti sotto forma di cantilever16,17,18, microcavità19, perovskite ceramica20 e membrane polimeriche21. Tali dispositivi HNQ fabbricati su superfici di diamante e silicio presentano il vantaggio di essere leggeri e altamente reattivi ai cambiamenti nell'ambiente locale. Sono state dimostrate molte potenziali applicazioni dei sensori basati su NV, come misurazioni della forza tramite sonde a scansione magnetica e microscopia a forza atomica (AFM)22,23, attuatori ad alta velocità20 e rilevamento di singole molecole e proteine24,25,26. La tradizionale tecnica di incisione angolare è stata utilizzata per fabbricare sistemi HNQ indipendenti sulle superfici di diamante o silicio utilizzando la litografia a fascio di elettroni (EBL) e l'incisione al plasma anisotropa sotto vuoto spinto16,27,28. In precedenza, è stata studiata l'interazione degli impulsi laser a femtosecondi con i centri NV e questi impulsi laser sono stati utilizzati per creare centri NV sul chip di diamante29,30.

Recentemente è disponibile in commercio vetro di alta qualità con spessore di 30 µm avente eccellenti proprietà meccaniche, elevata flessibilità, planarità superficiale nanometrica ed elevata trasparenza ottica. Il substrato di vetro ultrasottile (UT) sta diventando essenziale per diverse applicazioni del mercato di massa grazie al suo basso costo, all'elevata tenacità superficiale e all'eccellente planarità inferiore a 1 nm. Il vetro UT è stato utilizzato per un'ampia gamma di applicazioni come la fabbricazione di dispositivi microfluidici31,32,33, dispositivi elettronici flessibili34, fotonica35,36 e linee di ritardo stabili agli attosecondi37. Tuttavia, la possibilità di combinare le straordinarie proprietà meccaniche del vetro UT con le proprietà quantistiche del centro NV per costruire sensori quantistici flessibili rimane inesplorata. Ci si potrebbe chiedere se la capacità di nanoelaborazione dell'ablazione laser a femtosecondi possa essere utilizzata per fabbricare cantilever di rilevamento quantistico basati su vetro UT abilitati ai nanodiamanti.