Fótons individuais possuem aplicações relevantes em áreas como computação quântica, redes de informação e sensores, sendo que tais fótons podem ser emitidos por meio de defeitos presentes no hexagonal isolador atomicamente fino de nitreto de boro (hBN).
A falta de átomos de nitrogênio tem sido sugerida como a estrutura atômica responsável por essa atividade, entretanto, a remoção controlada desses átomos é uma tarefa complexa.
Recentemente, uma equipe da Faculdade de Física da Universidade de Viena demonstrou a capacidade de expulsar átomos individuais utilizando um microscópio eletrônico de transmissão de varredura em um ambiente de ultra-alto vácuo. Os resultados obtidos foram divulgados na revista Small.
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A microscopia eletrônica de transmissão proporciona uma visão da estrutura atômica dos materiais, sendo especialmente adequada para identificar diretamente possíveis defeitos na rede cristalina da amostra, os quais podem ter implicações tanto prejudiciais quanto benéficas, dependendo da aplicação em questão.
No entanto, é importante ressaltar que o feixe de elétrons de alta energia empregado na técnica pode ocasionar danos à estrutura, seja por meio de colisões elásticas ou excitações eletrônicas, ou ainda uma combinação de ambos os efeitos.
"Adicionalmente, a presença de gases remanescentes no vácuo do instrumento pode contribuir para danos, uma vez que as moléculas de gás dissociado podem corroer os átomos da rede cristalina.
Até o momento, as medições realizadas por meio da microscopia eletrônica de transmissão em hBN foram conduzidas em condições de vácuo relativamente inadequadas, resultando em danos rápidos.
Devido a essa limitação, não ficou claramente estabelecido se as lacunas, ou seja, os átomos individuais ausentes, podem ser criadas de maneira controlada.
Na Universidade de Viena, a criação de vacâncias atômicas individuais já foi alcançada utilizando a microscopia eletrônica de transmissão de varredura corrigida por aberrações em um ambiente de vácuo quase ultra-alto.
O material em estudo foi irradiado com uma faixa de energia do feixe de elétrons, o que influencia a taxa de dano observada.
Em baixas energias, o dano causado é significativamente mais lento em comparação com as medições anteriores realizadas em condições de vácuo residual mais inadequadas.
Vacâncias individuais de átomos de boro e nitrogênio podem ser geradas em energias eletrônicas intermediárias, sendo que o boro possui uma probabilidade duas vezes maior de ser ejetado devido à sua massa inferior.
Embora medições atomicamente precisas não sejam viáveis em energias mais altas, que foram utilizadas anteriormente para induzir a emissão de fótons únicos em hBN, os resultados indicam que o nitrogênio, por sua vez, torna-se mais facilmente ejetável, permitindo a preferencial formação dessas lacunas brilhantes.
A obtenção dessas conclusões fundamentou-se em estatísticas robustas, adquiridas por meio de meticulosos trabalhos experimentais, os quais foram complementados por novos modelos teóricos.
A autora principal, Thuy An Bui, esteve envolvida nesse projeto desde sua tese de mestrado, e relata: “A cada energia do elétron, eu dedicava vários dias no microscópio, coletando cuidadosamente uma série de dados após a outra”.
Essa abordagem meticulosa e perseverante permitiu a obtenção de resultados confiáveis e fundamentados.
“Após a coleta dos dados, utilizamos técnicas de aprendizado de máquina para auxiliar na sua análise precisa, embora mesmo esse processo tenha demandado considerável esforço.” O autor sênior, Toma Susi, acrescenta: “Com o intuito de compreender o mecanismo de dano, desenvolvemos um modelo aproximado que combina a ionização com os danos indiretos. Essa abordagem nos permitiu extrapolar para energias mais elevadas e lançar uma nova perspectiva sobre a formação de defeitos.”
Apesar de sua natureza isolante, os resultados obtidos revelam que o hexagonal monocamada de nitreto de boro demonstra uma notável estabilidade sob a irradiação de elétrons, desde que a corrosão química seja adequadamente evitada.
No futuro, torna-se viável a utilização da irradiação de elétrons com a finalidade de criar de forma intencional vacâncias específicas que emitam fótons individuais de luz.
Essa abordagem consistiria em irradiar seletivamente os locais desejados da rede cristalina com um feixe de elétrons focalizado.
Essa perspectiva abre novas possibilidades para a manipulação precisa em escala atômica, anteriormente demonstrada apenas em átomos de impureza em materiais como o grafeno e o silício bulk, podendo proporcionar descobertas adicionais nesse campo.
Relatório da Pesquisa: “Criação de vagas únicas em hBN com irradiação de elétrons”
