研究者はナノスケールの領域で物体をよりよく見るためのプロセスを開発

2023 年 7 月 17 日

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カール・フォーゲル著、ネブラスカ大学リンカーン校

同じ研究者が多く所属する学際的なチームのペアは、科学者がナノスケールをより深く洞察し、量子領域の可能性を活用できるプロセスを開発しています。

この 2 つのプロジェクトはそれぞれ、5 月の同じ週に研究雑誌に論文が掲載されており、ネブラスカ大学リンカーン大学のいくつかの学部 (機械工学、材料工学、電気工学、コンピューター工学、化学、物理学、天文学) の教員および大学院生の研究者が参加しています。

各チームは、ネブラスカ州が後援する複数の機関からの20人の教員からなる研究集団であるEmergent Quantum Materials and Technologies（EQUATE）によって支援されており、「新たな量子材料や現象の発見を導き、発見を促進する」ことを目的としている。

「学際的なアプローチがこれらのプロジェクトに有効なのは、プロジェクトの成功に不可欠な 1 つの側面に全員が集中できるからです」と、機械材料工学の助教授で両チームの研究者であるアブデルガニ・ララウィ氏は述べた。 「これらのプロジェクトは、量子研究で可能なことを前進させています。」

ACS Nano の 5 月 9 日版では、著者らが、個々の鉄-トリアゾール スピン クロスオーバー ナノロッドとナノ粒子クラスターの磁気特性を研究するために、窒素空孔に基づく磁力測定を使用した新しい技術を詳しく説明した論文を特集しました。

これらの磁性分子に関するこれまでの研究は主にバルク形式（溶液または粉末）で行われていたため、弱い漂遊磁気信号により個々の磁性分子の挙動を研究することが困難でした。

研究者らは、超高感度量子センサーをドープしたダイヤモンド基板上に鉄トリアゾールナノ粒子をドロップキャストした。 緑色光のビームが基板を横切って照射されると、NV はナノロッドとナノ粒子の存在下でさまざまな速度で赤色光の蛍光を発します。 この蛍光の変化によりその領域が照らされ、超高解像度カメラが、印加された磁場、マイクロ波周波数、および温度の関数として、個々のナノ粒子レベルで鉄-トリアゾールのスピンを追跡できるようになります。

ララウィ氏は、研究チームの研究により、この技術によりイメージング能力が人間の髪の毛の約5,000分の1である20ナノメートル未満に向上し、おそらく感度が10ナノメートル程度まで向上することが示されたと述べた。

ララウイ氏によると、「熱スイッチ」と「永久磁石」を使うことで、研究チームは個々のナノロッドのスピン状態を制御し、磁性のレベルとナノロッドが作り出す漂遊磁場の両方を制御することができたという。 これらの漂遊磁場は非常に弱いため、磁力顕微鏡などの従来の技術を使用して測定することがさらに困難になります。

「どんな分子にも磁性を持つ鉄などの遷移金属を含む成分があり、それらの成分のスピンは温度に応じて異なる挙動を示す」とララウイ氏は語った。 「より低い温度では、スピンは互いに打ち消し合うため磁気信号がありません。

「これは、温度と磁場だけでなく、磁性分子のスピンを切り替える方法で印加される電圧によっても制御できます。」

ララウィ氏は、NV技術によりナノメートルスケールでの未踏の磁気現象や物理現象の研究が可能になり、量子センシング、分子スピンエレクトロニクス、ウイルス学や脳科学研究などの医学分野のブレークスルーにつながる可能性が高いと述べた。