Um novo estudo na Physical Review Letters demonstra a levitação de uma micropartícula usando ressonância magnética nuclear (RMN), com potenciais implicações da biologia à computação quântica.

RMN é uma técnica espectroscópica comumente usada para analisar vários materiais com base em como os núcleos atômicos respondem a campos magnéticos externos. Isso fornece informações sobre a estrutura interna, dinâmica e ambiente do material.

Um dos principais desafios da RMN é usá-la em objetos pequenos para controlar as propriedades quânticas de micropartículas em levitação.

Os pesquisadores deste estudo queriam abordar as limitações encontradas anteriormente ao estudar esta aplicação específica, incluindo a exigência de altos campos magnéticos, temperaturas abaixo de Kelvin e grandes volumes.

Phys.org conversou com o primeiro autor do estudo, Julien Voisin, Ph.D. estudante do LPENS (Laboratoire de Physique de l'école normale supérieure) na França.

Falando sobre a escolha da micropartícula e o que os motivou a usar a RMN, Voisin disse: "Um ex-aluno de doutorado conseguiu medir spins eletrônicos, mas sua curta vida útil tornou desafiador estudá-los efetivamente. Isso nos levou a focar em spins nucleares , que já havíamos medido com sucesso em um diamante fixo fora da armadilha."

Núcleos atômicos contendo um número ímpar de prótons e/ou nêutrons têm uma propriedade chamada spin.

Quando colocados em um campo magnético externo, esses spins podem se alinhar com ou contra o campo magnético. Esse fenômeno, conhecido como efeito Zeeman, leva os níveis de energia a se dividirem em dois ou mais níveis discretos.

Na RMN, um campo magnético oscilante fraco é aplicado além do campo anterior, fazendo com que os núcleos absorvam energia e transitem entre esses níveis de energia .

Quando o campo oscilante é desligado, os núcleos revertem aos seus estados de energia originais, emitindo energia na forma de fótons. Esses fótons são detectados como sinais eletromagnéticos e são únicos para cada átomo, servindo como uma impressão digital.

Portanto, a RMN é um método popular para estudar a estrutura e as propriedades dos materiais e também pode ser estendida para estudar sistemas quânticos.

Em sistemas quânticos , especialmente aqueles que usam spins nucleares para processamento de informações quânticas, a RMN pode ser usada para controlar e medir os estados de spin das partículas, tornando-se uma ferramenta valiosa para estudar a decoerência.

Entretanto, como mencionado, usar RMN em objetos pequenos é um desafio persistente.

Para resolver o problema, os pesquisadores escolheram microdiamantes como suas partículas. No entanto, esses diamantes tinham um defeito — centros de vacância de nitrogênio (NV).

Os centros NV são formados quando um átomo de nitrogênio substitui um átomo de carbono na rede de diamante, e um sítio de rede adjacente permanece vago. Os centros NV têm propriedades quânticas únicas , como a capacidade de interagir com campos magnéticos e armazenar e manipular informações quânticas.

"Diamantes podem hospedar defeitos cristalinos opticamente ativos, frequentemente chamados de centros de cor. Esses centros de cor podem ter muitas aplicações interessantes, com o centro NV sendo amplamente usado em física por causa de seu spin eletrônico e propriedades ópticas", explicou Voisin.

Os microdiamantes tinham um diâmetro de 10–20 micrômetros. A singularidade do estudo deles é o uso de uma armadilha elétrica de Paul para levitar esses microdiamantes.

Uma armadilha elétrica de Paul consiste em dois conjuntos de eletrodos para criar um campo elétrico oscilante. Este campo produz um poço de potencial, mantendo o microdiamante confinado no espaço, permitindo que ele levite.

"O apelo de realizar RMN com um sistema levitado é acessar spins nucleares e alavancar suas propriedades, como longos tempos de coerência", explicou Voisin.

A levitação oferece outras vantagens, incluindo menos perturbação do ambiente e manipulação precisa sobre as micropartículas sem qualquer contato físico. Esses fatores aumentam significativamente a confiabilidade e a precisão da técnica de RMN.

O objetivo final era manipular e controlar os spins nucleares dos microdiamantes, ganhando assim controle sobre o estado quântico do sistema. Os pesquisadores conseguiram isso ganhando controle sobre os estados eletrônicos nos centros NV.

Os centros NV possuem estados de spin eletrônico devido ao elétron livre do nitrogênio. Esses estados de spin eletrônico podem ser manipulados usando polarização, e essa manipulação pode então ser transferida para os spins nucleares.

Os pesquisadores usaram uma luz laser verde para polarizar os estados eletrônicos nos centros NV. Depois disso, eles alavancaram as interações hiperfinas entre spins eletrônicos e nucleares usando um método conhecido como polarização nuclear dinâmica ou DNP.

Esse método permitiu que eles transferissem a polarização dos spins eletrônicos para os nucleares, possibilitando a manipulação dos spins nucleares e, portanto, o estado quântico do sistema.

A abordagem dos pesquisadores permitiu que eles alcançassem coerência de spin nuclear para microdiamantes levitando na faixa de algumas centenas de microssegundos (aproximadamente 120 microssegundos). Isso foi uma melhoria de três ordens de magnitude em relação a estudos anteriores.

Embora os resultados indiquem um avanço em comparação a estudos anteriores, Voisin observou: "O objetivo deste experimento não era competir com estudos de RMN, mas mostrar que a RMN pode ser obtida em um sistema de levitação, juntamente com as aplicações previsíveis em mecânica de spin e aplicações de rotação rápida."

Embora Voisin ainda não veja aplicações imediatas em biologia e computação quântica com a configuração experimental atual, duas aplicações promissoras incluem resfriamento de partículas macroscópicas e giroscopia.

Para resfriamento, o resfriamento de feedback de corrente em pinças ópticas não funciona para diamantes no vácuo porque eles grafitam e quebram. No entanto, o resfriamento de spin usando spins nucleares pode permitir o resfriamento do estado fundamental devido aos seus tempos de coerência mais longos em comparação aos spins eletrônicos.

Na giroscopia, a menor razão giromagnética dos spins nucleares os torna ideais para medir os campos pseudomagnéticos gerados por partículas levitadas de rotação rápida. Essa pequena razão pode melhorar a precisão em aplicações giroscópicas ao aumentar a sensibilidade ao movimento rotacional.