The Signal
Un gruppo di Anversa legge gli spin dei nanotubi di carbonio a temperatura ambiente
Un gruppo della University of Antwerp riferisce di aver letto otticamente, a temperatura ambiente, gli stati di spin di tripletto in nanotubi di carbonio modificati chimicamente. I ricercatori rilevano anche una molecola paramagnetica, ma i
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
Un gruppo della University of Antwerp afferma di poter leggere gli stati di spin in nanotubi di carbonio modificati chimicamente a temperatura ambiente, ma il segnale è così debole da complicare il passaggio dal risultato di laboratorio a un sensore. In un articolo presentato il 21 ottobre, i ricercatori descrivono la lettura ottica e una prova di rilevamento di una molecola paramagnetica. La dimostrazione con un’antenna compatta, tuttavia, ha prodotto un basso rapporto segnale-rumore e richiesto circa un’ora di raccolta dati.
I difetti alogenati intrappolano gli eccitoni di tripletto
Il gruppo ha funzionalizzato nanotubi di carbonio a parete singola (6,5), selezionati in base alla chiralità, con difetti para-alofenilici contenenti cloro, bromo o iodio. Le modifiche chimiche creano siti che intrappolano gli eccitoni di tripletto — stati eccitati dotati di spin — ed emettono luce nel vicino infrarosso. I difetti si trovano sulla superficie del nanotubo, vicino alle molecole che lo circondano: una disposizione utile per il rilevamento.
Per leggere gli stati di spin, i ricercatori hanno usato la risonanza magnetica rilevata otticamente, o ODMR. La luce laser prepara una popolazione polarizzata in spin; le microonde applicate inducono transizioni tra i livelli di spin, modificando la luce emessa. Il gruppo ha osservato l’effetto in campioni a temperatura ambiente e a pressione ambiente, usando un flusso di elio nella cavità di misura per limitare il riscaldamento dovuto al laser. I nanotubi modificati hanno mostrato una caratteristica di emissione intorno a 1.150 nanometri.
«Qui dimostriamo l’inizializzazione e la lettura ottica di questi stati di tripletto a temperatura ambiente, forniamo una prova di principio del rilevamento di molecole paramagnetiche e mettiamo in evidenza il potenziale per il rilevamento su chip.»
J. Alejandro de Sousa et al., University of Antwerp
TEMPO modifica il segnale di spin
Per verificare la capacità di rilevamento, i ricercatori hanno aggiunto TEMPO, un radicale libero stabile, a una dispersione di nanotubi funzionalizzati con cloro. All’aumentare della concentrazione di TEMPO, il contrasto ODMR è diminuito: la risposta riportata andava da una riduzione del segnale del 10% a 0,1 millimolare a una del 90% a 28,5 millimolare. Un composto di riferimento chimicamente simile, a guscio chiuso, chiamato TEMP, non ha modificato il contrasto.
Il gruppo attribuisce la risposta alle interazioni tra l’elettrone spaiato di TEMPO e gli spin di tripletto dei nanotubi, che ne alterano la polarizzazione di spin. Nei test, l’ossigeno disciolto non ha influito sul contrasto ODMR e gli autori affermano che la misurazione avviene nel vicino infrarosso. L’esperimento dimostra una risposta a un radicale modello, non un sensore convalidato per campioni biologici o altri bersagli reali.
La prova con l’antenna mette in luce le difficoltà ingegneristiche
Per ottenere una configurazione più compatta, i ricercatori hanno collocato una pellicola di nanotubi funzionalizzati con bromo sopra un’antenna a microonde di un millimetro e hanno usato fibre ottiche per fornire l’eccitazione e raccogliere l’emissione. L’antenna operava tra 2,8 e 3,2 gigahertz. Dopo circa 60 minuti di integrazione, il gruppo ha distinto due caratteristiche ODMR, ma il rapporto segnale-rumore è rimasto basso.
Gli autori indicano come possibili fattori il calore vicino all’antenna e i limiti della potenza disponibile per le microonde e il laser. Anche le misurazioni nella configurazione standard hanno prodotto contrasti ODMR ridotti, intorno a 10−4–10−3, sebbene i migliori rapporti segnale-rumore abbiano raggiunto circa 100 prima dell’elaborazione. Secondo gli autori, migliorare quel contrasto è necessario perché l’approccio possa diventare una tecnologia.
Il meccanismo di spin non è ancora chiarito
Il segno e l’intensità del segnale variano con l’orientamento dei nanotubi rispetto al campo magnetico. Una componente cresce con la temperatura fino a circa 150 kelvin e persiste a temperatura ambiente. Gli autori ipotizzano che interazioni attivate termicamente tra stati eccitonici scuri e luminosi possano influire sul modo in cui si popolano gli stati di spin di tripletto, ma affermano che i dati attuali non stabiliscono il meccanismo.
Il lavoro affianca quindi a una chiara dimostrazione di laboratorio due limiti concreti: un debole contrasto ottico e un processo di polarizzazione di spin non ancora del tutto spiegato. La prossima prova tecnica sarà verificare se configurazioni migliori dell’antenna e dell’apparato ottico possano rafforzare la lettura a temperatura ambiente senza perdere la risposta dei nanotubi nel vicino infrarosso.