I ricercatori del MIT hanno, per la prima volta, fabbricato un sensore quantistico a base di diamante su un chip di silicio. L'avanzata potrebbe aprire la strada verso il basso costo, hardware scalabile per l'informatica quantistica, rilevamento, e comunicazione.

I "centri di azoto vacante (NV)" nei diamanti sono difetti con elettroni che possono essere manipolati dalla luce e dalle microonde. In risposta, emettono fotoni colorati che trasportano informazioni quantistiche sui campi magnetici ed elettrici circostanti, che può essere utilizzato per il biorilevamento, neuroimaging, rilevamento di oggetti, e altre applicazioni di rilevamento. Ma i tradizionali sensori quantistici basati su NV hanno le dimensioni di un tavolo da cucina, con costoso, componenti discreti che limitano praticità e scalabilità.

In un articolo pubblicato su Elettronica della natura , i ricercatori hanno trovato un modo per integrare tutti quei componenti ingombranti, incluso un generatore di microonde, filtro ottico, e fotorilevatore, su un pacchetto in scala millimetrica, utilizzando le tradizionali tecniche di fabbricazione dei semiconduttori. In particolare, il sensore funziona a temperatura ambiente con capacità di rilevare la direzione e l'ampiezza dei campi magnetici.

I ricercatori hanno dimostrato l'uso del sensore per la magnetometria, il che significa che erano in grado di misurare gli spostamenti su scala atomica nella frequenza dovuti ai campi magnetici circostanti, che potrebbe contenere informazioni sull'ambiente. Con ulteriore affinamento, il sensore potrebbe avere una gamma di applicazioni, dalla mappatura degli impulsi elettrici nel cervello al rilevamento di oggetti, anche senza una linea di vista.

"È molto difficile bloccare i campi magnetici, quindi questo è un enorme vantaggio per i sensori quantistici, ", afferma il coautore Christopher Foy, uno studente laureato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS). "Se c'è un veicolo in viaggio, dire, un tunnel sotterraneo sotto di te, saresti in grado di rilevarlo anche se non lo vedi lì."

Insieme a Foy sul giornale ci sono:Mohamed Ibrahim, uno studente laureato in EECS; Donggyu Kim Ph.D. '19; Matthew E. Trusheim, un postdoc in EECS; Ruonan Han, professore associato in EECS e capo del Terahertz Integrated Electronics Group, che fa parte dei Microsystems Technology Laboratories (MTL) del MIT; e Dirk Englund, professore associato di ingegneria elettrica e informatica al MIT, un ricercatore nel Laboratorio di Ricerca di Elettronica (RLE), e capo del Laboratorio di Fotonica Quantistica.

Restringimento e impilamento

I centri NV nei diamanti si verificano dove mancano atomi di carbonio in due punti adiacenti nella struttura reticolare:un atomo viene sostituito da un atomo di azoto, e l'altro spazio è un "posto vacante" vuoto. Che lascia legami mancanti nella struttura, dove gli elettroni sono estremamente sensibili a piccole variazioni elettriche, magnetico, e caratteristiche ottiche nell'ambiente circostante.

Il centro NV funziona essenzialmente come un atomo, con un nucleo e gli elettroni circostanti. Ha anche proprietà fotoluminescenti, il che significa che assorbe ed emette fotoni colorati. Le microonde che spazzano il centro possono fargli cambiare stato:positivo, neutro, e negativo, che a sua volta cambia lo spin dei suoi elettroni. Quindi, emette diverse quantità di fotoni rossi, a seconda della rotazione.

Una tecnica, chiamata risonanza magnetica otticamente rilevata (ODMR), misura quanti fotoni vengono emessi interagendo con il campo magnetico circostante. Tale interazione produce ulteriori, informazioni quantificabili sul campo. Perché tutto ciò funzioni, i sensori tradizionali richiedono componenti ingombranti, compreso un laser montato, Alimentazione elettrica, generatore di microonde, conduttori per instradare la luce e le microonde, un filtro ottico e un sensore, e un componente di lettura.

I ricercatori hanno invece sviluppato una nuova architettura di chip che posiziona e impila piccoli, componenti economici in un certo modo utilizzando la tecnologia CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) standard, quindi funzionano come quei componenti. "Le tecnologie CMOS consentono strutture 3D molto complesse su un chip, " dice Ibrahim. "Possiamo avere un sistema completo sul chip, e abbiamo solo bisogno di un pezzo di diamante e di una fonte di luce verde in cima. Ma quello può essere un normale LED a scala di chip".

I centri NV all'interno di una lastra diamantata sono posizionati in una "zona di rilevamento" del truciolo. Una piccola pompa laser verde eccita i centri NV, mentre un nanofilo posizionato vicino ai centri NV genera ampie microonde in risposta alla corrente. Fondamentalmente, la luce e il microonde lavorano insieme per far sì che i centri NV emettano una quantità diversa di fotoni rossi, con la differenza che è il segnale target per la lettura negli esperimenti dei ricercatori.

Sotto i centri NV c'è un fotodiodo, progettato per eliminare il rumore e misurare i fotoni. Tra il diamante e il fotodiodo c'è un reticolo metallico che funge da filtro che assorbe i fotoni laser verdi mentre consente ai fotoni rossi di raggiungere il fotodiodo. In breve, questo abilita un dispositivo ODMR su chip, che misura gli spostamenti della frequenza di risonanza con i fotoni rossi che trasportano informazioni sul campo magnetico circostante.

Ma come può un chip fare il lavoro di una macchina di grandi dimensioni? Un trucco fondamentale è semplicemente spostare il filo conduttore, che produce le microonde, ad una distanza ottimale dai centri NV. Anche se il chip è molto piccolo, questa distanza precisa consente alla corrente del filo di generare un campo magnetico sufficiente per manipolare gli elettroni. Anche la stretta integrazione e la coprogettazione dei cavi conduttori di microonde e dei circuiti di generazione aiutano. Nella loro carta, i ricercatori sono stati in grado di generare un campo magnetico sufficiente per consentire applicazioni pratiche nel rilevamento di oggetti.

Solo l'inizio

In un altro documento presentato all'inizio di quest'anno alla Conferenza internazionale sui circuiti a stato solido, i ricercatori descrivono un sensore di seconda generazione che apporta vari miglioramenti a questo design per ottenere una sensibilità 100 volte maggiore. Prossimo, i ricercatori affermano di avere una "tabella di marcia" su come aumentare la sensibilità di 1, 000 volte. Ciò comporta fondamentalmente l'aumento del chip per aumentare la densità dei centri NV, che determina la sensibilità.

Se lo fanno, il sensore potrebbe essere utilizzato anche in applicazioni di neuroimaging. Ciò significa mettere il sensore vicino ai neuroni, dove può rilevare l'intensità e la direzione dei neuroni di sparo. Ciò potrebbe aiutare i ricercatori a mappare le connessioni tra i neuroni e vedere quali neuroni si attivano a vicenda. Altre applicazioni future, inclusa la sostituzione del GPS per veicoli e aeroplani. Poiché il campo magnetico sulla Terra è stato mappato così bene, i sensori quantistici possono fungere da bussole estremamente precise, anche in ambienti privi di GPS.

"Siamo solo all'inizio di ciò che possiamo realizzare, " dice Han. "È un lungo viaggio, ma abbiamo già due pietre miliari in pista, con i sensori di prima e seconda generazione. Abbiamo in programma di passare dal rilevamento alla comunicazione all'informatica. Conosciamo la strada da percorrere e sappiamo come arrivarci".

"Sono entusiasta di questa tecnologia dei sensori quantistici e prevedo un grande impatto in diversi campi, "dice Ron Walsworth, un docente senior presso l'Università di Harvard il cui gruppo sviluppa strumenti di magnetometria ad alta risoluzione utilizzando i centri NV.

"Hanno compiuto un passo fondamentale nell'integrazione dei sensori di diamante quantistico con la tecnologia CMOS, compresa la generazione e la consegna di microonde su chip, così come il filtraggio su chip e il rilevamento della luce fluorescente che trasporta informazioni dai difetti quantistici nel diamante. L'unità risultante è compatta e relativamente a bassa potenza. I prossimi passi saranno migliorare ulteriormente la sensibilità e la larghezza di banda del sensore di diamante quantistico [e] integrare il sensore di diamante CMOS con applicazioni ad ampio raggio, compresa l'analisi chimica, spettroscopia NMR, e caratterizzazione dei materiali”.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.