Viviamo in un mondo rumoroso. Interferenza dalla luce, vibrazioni, le radiazioni elettromagnetiche e il suono possono essere fastidiose; disturba il nostro sonno e può interferire con le nostre apparecchiature elettriche.

Per i fisici che studiano il molto piccolo e il molto lontano, il rumore può essere un rompicapo. Per ridurlo, spesso hanno bisogno di ottenere grandi, soluzioni costose.

Hanno dovuto costruire l'acceleratore di particelle più grande e potente del mondo per vedere il minuscolo segnale della particella del bosone di Higgs, e il righello più lungo e sensibile del mondo per vedere le onde gravitazionali. Gli scienziati devono inviare telescopi nello spazio per evitare il rumore della nostra atmosfera se vogliono vedere i dettagli delle galassie più lontane.

Ma la soluzione non è sempre su così vasta scala. In una nuova ricerca pubblicata in Fisica della natura , un gruppo di fisici dell'Università di Melbourne ha trovato un modo per ridurre il rumore sperimentato dai sensori quantistici semplicemente ruotandoli.

I sensori quantistici sono altamente sensibili e tra le loro numerose applicazioni promettenti stanno inaugurando una nuova era della risonanza magnetica (MRI (Magnetic Resonance Imaging) che rende visibili i piccoli dettagli all'interno di cellule e proteine.

Un sensore quantistico particolarmente promettente è il centro di vacanza di azoto (NV), trovato nei diamanti. Questo è un difetto a livello atomico, dove un atomo di azoto sostituisce un atomo di carbonio, intrappolare gli elettroni in uno stato quantico.

"Un elettrone è essenzialmente una barra magnetica, " afferma il dottor Alexander Wood della School of Physics dell'Università di Melbourne, che è stato il primo autore dell'articolo Nature Physics.

"Ha un polo nord e un polo sud. E se mettiamo un elettrone in un campo magnetico, girerà molto rapidamente."

Ma gli elettroni nei centri NV non sono gli unici magneti in un diamante.

"In un diamante ci sono due tipi di carbonio. La maggior parte sono ciò che viene chiamato carbonio-12, che è piuttosto noioso, "dice il dottor Wood.

"Però, circa 1 su 100 atomi di carbonio è un carbonio-13. Ha un neutrone in più.

"Come gli elettroni, il nucleo di ciascuno di questi atomi di carbonio-13 è come una piccola barra magnetica. E, come un magnete a barra, se metti un nucleo di carbonio-13 in un campo magnetico, gira."

Gli stati quantistici si basano su una proprietà chiamata coerenza, che è sensibile al "rumore" ambientale che può portare a una perdita dello stato quantistico, noto come sfasamento. Professore Associato Andy Martin, che ha condotto lo studio finanziato dall'Australian Research Council, dice che mantenere lo stato quantico dei centri NV è difficile.

"Uno stato quantistico è fragile. È fragile in particolare per il campo magnetico. Se ci sono fluttuazioni nel campo magnetico, sfaserà il sensore quantistico".

Il mantenimento dello stato quantistico è la chiave per utilizzare i sistemi NV come sensori quantistici di ambienti su nanoscala

Professor Hollenberg, che guida un gruppo di ricerca dell'Università di Melbourne sui sensori quantistici, paragona lo stato quantistico a una bolla.

"Se il tuo ambiente è spinoso, allora lo stato quantico non durerà molto a lungo. Ma se il tuo ambiente è meno spinoso, quella bolla durerà molto più a lungo, " lui dice.

"Questo è il principio in base al quale possiamo rilevare l'ambiente intorno al centro NV su scale estremamente piccole e ad alta sensibilità".

Nello studio, i ricercatori hanno cercato di ridurre l'effetto della sfasatura ruotando rapidamente l'intero sistema.

"Il magnetismo rotante della barra atomica degli atomi di carbonio-13 crea spine nel campo magnetico - interagiscono con i centri NV, influenzandone la coerenza e la capacità di percepire, ", afferma il Professore Associato Martin.

Ridurre al minimo il rumore del carbonio-13 aumenta la sensibilità dei sensori quantistici, che dovrebbe portare a una maggiore comprensione del mondo su scala nanometrica.

Ciò può essere ottenuto utilizzando diamanti di carbonio-12 di ingegneria sintetica e costosi isotopicamente puri, o arrestando la rotazione degli atomi di carbonio-13. Il problema con l'arresto della rotazione del carbonio-13 è che anche gli elettroni del centro NV smetterebbero di ruotare, e questa rotazione è cruciale per il funzionamento di questi sensori quantistici.

La soluzione è ingannare il centro NV facendogli credere che i magneti a barra atomica degli atomi di carbonio-13 abbiano smesso di ruotare.

Per fare questo la squadra, lavorando nel laboratorio del professor Robert Scholten, usava una tecnica della fisica classica. Si tratta di ruotare l'intero diamante ad alta velocità.

"Nel campo magnetico che usiamo di solito, le barre magnetiche atomiche dei centri NV gireranno circa 2,8 miliardi di volte al secondo, mentre il carbonio-13 ruoterà di circa 5, 000 volte al secondo, "dice il dottor Wood.

"Perché sta già girando così velocemente, se ruotiamo l'intero diamante a 5, 000 volte al secondo, il bar-magnete atomico del centro NV non è interessato.

"Ma gli atomi di carbonio-13 sono interessati. E poiché il centro NV e il carbonio-13 sono ora nello stesso sistema di riferimento, rotante a 5, 000 volte al secondo nella stessa direzione della rotazione degli atomi di carbonio, significa che il centro NV vede il carbonio-13 come essenzialmente stazionario.

"Quindi puoi cancellare efficacemente i campi magnetici dal carbonio-13 che questi sensori vedono mettendo il tuo sensore e il carbonio-13 all'interno dello stesso telaio rotante".

"Quello che abbiamo qui è un ambiente che quando non ruoti è piuttosto appuntito. E quando lo ruoti, diventa meno pungente, aumentando la longevità dello stato quantistico, ", afferma il Professore Associato Martin.

Sulla base di ciò, supporremmo che la precisione ottimale si sarebbe verificata quando il diamante ruotava esattamente alla stessa velocità del carbonio-13. Ma i ricercatori hanno scoperto che non era così.

"Ti aspetteresti che la quantita' del sensore salga sempre piu' fino a quando gli spin del carbonio-13 non sono congelati nel telaio rotante, ma mentre ci avviciniamo alla cornice congelata, la coerenza inizia a diminuire, perché gli atomi di carbonio-13 iniziano a interagire tra loro, aggiungendo rumore nel sistema, "dice il dottor Wood.

I ricercatori hanno determinato lo pseudo campo che fornisce la maggiore riduzione del rumore degli spin cabon-13.

"Il punto debole sembra essere in un campo magnetico totale - che è la combinazione del campo normale e dello pseudo campo rotante del frame - di un Gauss, che equivale al sensore che vede il carbonio girare circa 1000 volte al secondo, "dice il dottor Wood.

"Il Gauss è una misura della densità del flusso magnetico, o intensità del campo magnetico. Per esempio, un magnete da frigorifero è di circa 100 Gauss e l'intensità del campo magnetico terrestre è di circa metà Gauss."

Anche se questa tecnica potrebbe presto essere utilizzata per migliorare la precisione degli scanner quantistici per la risonanza magnetica, Il professore associato Martin dice che potrebbe anche aiutare a rispondere ad alcune domande fondamentali in fisica.

"Per esempio, i sensori quantistici potrebbero aiutare a rispondere a domande come; quando un fluido diventa un fluido?" dice.

"Prendi una molecola d'acqua, non è un fluido. Prendi due molecole d'acqua, neanche questo è un fluido. Ad un certo punto diventa un fluido ed è tutto a che fare con la scala a cui stai sondando. E puoi guardarlo solo se riesci a sondare fino a quelle scale.

"Ora hai questi sensori basati sui difetti dell'azoto nei diamanti. Non devono essere un grande diamante come un anello di diamanti, possono essere nanocristalli. Possono essere estremamente piccoli.

"Quindi inizi ad avere questi dispositivi in ​​grado di misurare le traslazioni e, Ora, movimento rotatorio. Ti dà una sonda su queste scale molto piccole, non solo in termini di campi magnetici, ma in termini di movimento traslatorio e rotatorio."