A física quântica não é nova, mas só recentemente nos tornamos capazes de controlar os fenômenos quânticos e, assim, usá-los para desenvolver novas tecnologias. Uma das áreas em que a tecnologia quântica está mais madura e pronta para aplicação é sensores quânticos, onde os fenômenos quânticos podem ajudar a tornar os sensores ultrassensíveis, permitindo que eles vejam detalhes e meçam quantidades muito menores do que os sensores existentes atualmente.
O laboratório de Kirstine Berg-Sørensen. Crédito da imagem: Jesper Scheel
Diamantes defeituosos como sensores quânticos
Alexander Huck é um dos pesquisadores da DTU que pesquisa o uso de diamantes como sensores quânticos há mais de dez anos. São diamantes artificiais com um defeito embutido: o centro NV. O centro NV se comporta como um spin mecânico quântico que pode registrar campos magnéticos fracos e outros parâmetros físicos.
Alexander Huck usou diamantes quânticos para medir material biológico, entre outras aplicações. Em 2020, ele demonstrou – junto com uma equipe de pesquisa multidisciplinar – que era possível medir a atividade elétrica nos músculos usando um sensor quântico de diamante NV.
“A vantagem de usar diamantes para medir material biológico é que não precisamos colocar eletrodos no material para medir um sinal. Em vez disso, podemos colocar um diamante, neste caso na forma de uma pequena placa plana medindo 1-2mm x 1-2mm, próximo ao material biológico sem 'danificá-lo' e então medir sinais usando campos magnéticos. Recentemente, conseguimos realizar medições semelhantes de atividade cerebral de tecido em camundongos, o que é um novo marco importante”, diz Alexander Huck, professor associado da DTU Physics.
Em sua opinião, os sensores quânticos desempenharão um papel importante no trabalho para obter mais conhecimento sobre o cérebro e as redes neurais, contribuindo eventualmente para melhorar o diagnóstico e a cura de distúrbios cerebrais.
Conhecimento de moléculas e fotossíntese
Alexander Huck recentemente também começou a usar sensores de diamante NV em escalas de comprimento muito menores do que as células e tecidos dos músculos e do cérebro. Ele quer tentar usar o sensor quântico para obter maior conhecimento sobre as moléculas. O foco geral está nos processos eletrônicos em escala molecular, como a fotossíntese, sobre a qual ele quer aprender mais observando uma ou algumas moléculas de cada vez.
“Se pudermos entender como a fotossíntese funciona em detalhes, isso pode – a longo prazo – nos permitir copiar como as plantas coletam energia do sol e a convertem em substâncias químicas armazenáveis e transportáveis. Muito do nosso conhecimento atual é baseado em análises de grandes grupos de moléculas, e isso pode obscurecer alguns dos detalhes. Quero obter conhecimento sobre eles observando as moléculas individualmente”, diz Alexander Huck.
Maior conhecimento sobre células humanas
Kirstine Berg-Sørensen também usa tecnologia quântica para sensores biológicos, mas com diamantes menores. Seu foco é obter um maior conhecimento de nossas células.
“Nos últimos anos, pesquisadores de biologia celular descobriram que as células não são tão heterogêneas quanto pensávamos. As células individuais desenvolvem-se de forma diferente, embora venham do mesmo ponto de partida. Isto aplica-se, por exemplo, às células cancerígenas, mas também às células imunitárias, que é a minha área de concentração. É importante obter um conhecimento mais aprofundado sobre quais células são responsáveis pelo desenvolvimento e controle de doenças, respectivamente”, diz Kirstine Berg-Sørensen, professora associada da DTU Health Tech.
Kirstine Berg-Sørensen trabalhou com armadilhas ópticas em laboratório durante a maior parte de sua carreira. Neste trabalho, um feixe de laser altamente concentrado de luz infravermelha é usado para examinar o material biológico. Dessa forma, a luz não aquece o material e, portanto, não cria alterações relacionadas às análises.
“Há cerca de seis anos, por meio do trabalho de Alexander Huck, tomei conhecimento dos nanodiamantes, que permitem registrar campos magnéticos fracos, por exemplo, em tecidos humanos. Isso me deu a ideia de estudar células combinando nossos métodos, e agora estamos colaborando nisso”, diz Kirstine Berg-Sørensen.
Combinando dois métodos
As células primeiro absorvem minúsculos nanodiamantes com um diâmetro de cerca de 120 nanômetros – 500 vezes menores que a espessura de um fio de cabelo humano. Os pesquisadores usam luz laser para ler o que o diamante mede.
A longo prazo, o objetivo é desenvolver uma ferramenta avançada de medição de material biológico baseada nos dois métodos. A vantagem dos diamantes e da armadilha óptica é que eles são biocompatíveis, o que significa que eles não interagem com o material biológico e, portanto, não "perturbam" nada relacionado à medição. Além disso, sua sensibilidade magnética pode funcionar em temperatura ambiente e, portanto, não requer temperaturas extremamente baixas abaixo de 150 graus negativos, ao contrário de outros tipos de sensores quânticos.
“Já mostramos que podemos fazer com que as células absorvam os nanodiamantes. Agora precisamos refinar nosso método para obter pinças ópticas, um feixe de laser, para 'empurrar' o diamante ao redor da célula, para que possamos medir várias partes da célula. No momento, estamos trabalhando nisso”, diz Kirstine Berg-Sørensen.
O E-MAT compreende uma gama de instrumentos que, sob condições controladas, permitem o desenvolvimento e síntese de novos materiais. Crédito da imagem: DTU
Desenvolvimento de novos sensores quânticos
Embora os sensores quânticos já sejam capazes de realizar medições mais precisas do que os sensores comuns, o trabalho está sendo feito para melhorá-los ainda mais, por exemplo, em uma colaboração entre pesquisadores que trabalham para desenvolver novos materiais, e onde Alexander Huck contribui com sua experiência em diamantes NV e sensores quânticos.
“Nosso objetivo é examinar sistematicamente se podemos encontrar um novo sensor que seja pequeno, biocompatível, capaz de operar em temperatura ambiente e capaz de medir campos magnéticos no cérebro de organismos vivos. Isso nos permitirá expandir significativamente nosso conhecimento dos processos no cérebro. Estamos planejando fabricar novos sensores usando novos materiais 2D personalizados que nos permitem controlar defeitos em nível atômico”, explica Nini Pryds, professor da DTU Energy, cientista de materiais e responsável pelo trabalho.
O objetivo do projeto específico é desenvolver um sensor quântico completamente novo baseado em materiais 2D que serão mais sensíveis que um diamante.
“Para criar sensores pequenos melhores, mais baratos e mais práticos, vamos examinar se é possível usar tipos completamente diferentes de sensores magneticamente sensíveis baseados em materiais 2D. Com o novo sensor, nosso objetivo futuro é oferecer uma melhor detecção em um estágio inicial, antes que as doenças cerebrais tenham tempo de se desenvolver ainda mais”, diz Nini Pryds.
O desenvolvimento do novo sensor também se beneficiará de uma nova instalação de pesquisa de infraestrutura, na DTU, E-MAT. Este é o primeiro do género no Norte da Europa, para síntese de nova geração de materiais quânticos e existe apenas em alguns locais do mundo. O E-MAT consiste em um porta-luvas com ambiente controlado que abrange um conjunto de equipamentos-chave, incluindo métodos de deposição de última geração, permitindo o controle de superfícies e interfaces em escala atômica. Essa infraestrutura possibilitará não apenas prever teoricamente novos materiais, mas também fabricar esses materiais e testá-los. Isso deixa os pesquisadores confiantes de que terão sucesso no desenvolvimento de um novo sensor quântico nos próximos anos.
Teste de sensores quânticos
Alguns sensores quânticos já chegaram tão longe em seu desenvolvimento que seu uso está sendo testado na vida real. Isso inclui um acelerômetro quântico, que no futuro poderá substituir o sistema GPS para navegação.
Na versão de teste atual, o sensor quântico é uma grande caixa que ocupa muito espaço quando montada em um avião e enviada em uma viagem pela Groenlândia para navegar pelo campo gravitacional da Terra. Um dos objetivos será reduzir o sensor quântico ao tamanho de um chip para que, no futuro, ele possa ser usado em qualquer lugar, em aeronaves, barcos, prédios, sob a terra e debaixo d'água. Isso garantirá a independência do sistema GPS, que pode ser bloqueado ou falsificado e representa uma ameaça na atual situação geopolítica.
Fonte: DTU
