Jennifer Choy produce antenne delle dimensioni di un atomo. Non hanno alcuna somiglianza con l'asta telescopica che trasmette i successi pop attraverso uno stereo portatile. Ma funzionalmente, sono simili. Sono sensori quantistici, che raccolgono minuscoli segnali elettromagnetici e li trasmettono in un modo che possiamo misurare.

Quanto è piccolo un segnale? Un sensore quantistico potrebbe discernere i cambiamenti di temperatura in una singola cellula del tessuto umano o persino i campi magnetici originati dal nucleo terrestre.

Jennifer Choy, una scienziata dell'Università del Wisconsin-Madison, sta sviluppando tecnologie che potrebbero portare a accelerometri e magnetometri ultraprecisi per la navigazione e per sondare minuscole variazioni nei campi elettromagnetici di un materiale.

"Puoi pensare a questi sensori quantistici come a una sonda su scala atomica che ti consente di essere sensibile e misurare i cambiamenti realmente localizzati nei campi magnetici", ha detto Choy. "E puoi estendere le tue misurazioni per sondare caratteristiche magnetiche macroscopiche e altri parametri fisici come la deformazione meccanica e la temperatura."

Sfruttando la natura quantistica degli atomi, che si rivela solo alle scale più piccole della natura, e la loro sensibilità ai disturbi esterni, questi sensori mostrano un'accuratezza e una precisione straordinarie, facendo sembrare le loro controparti tradizionali come strumenti contundenti al confronto.

Per Choy, la sfida è aumentare l'efficienza con cui questi strumenti invisibili trasmettono informazioni. La ricerca è in parti uguali tra scoperta della fisica e ingegneria, dice.

"Trovo il lavoro eccitante perché si adatta bene al tipo di allenamento miscuglio che ho avuto", ha affermato Choy, che è membro di entrambi Q-NEXT, un Centro nazionale di ricerca sulla scienza dell'informazione quantistica del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) guidato dall'Argonne National Laboratory del DOE e dal Quantum Leap Challenge Institute for Hybrid Quantum Architectures and Networks della National Science Foundation, o HQAN. "Sono un fisico applicato di formazione e non mi definisco puramente un fisico o un ingegnere. Ma mi piace davvero quell'intersezione tra scienza fondamentale e lavoro di ingegneria."

Luce e materia

Choy lavora su sensori quantistici in cui gli elettroni nei materiali quantistici fungono da antenna. Le informazioni che raccolgono possono essere lette attraverso le loro interazioni con i fotoni, le particelle prive di massa che trasportano informazioni elettromagnetiche.

Più forte è la stretta di mano tra l'elettrone e il fotone, più chiara sarà la trasmissione.

Quando l'elettrone riceve un segnale particolare, assorbe l'energia del fotone. Shomp! L'elettrone eccitato vola su un gradino più alto della scala dell'energia atomica. Quando arriva il momento di dissipare l'energia, l'elettrone cade da quel gradino superiore a terra - thwop! - e l'energia repressa viene rilasciata come un fotone di un colore particolare.

Gli scienziati leggono la luce, misurandone le proprietà, come l'intensità e la lunghezza d'onda, per interpretare il segnale originale.

Centri colore

Come membro di Q-NEXT, Choy sta progettando sensori che prendono la forma di buchi delle dimensioni di un atomo in un diamante creati dalla rimozione di singoli atomi di carbonio. La vacanza e un atomo adiacente insieme intrappolano una coppia di elettroni, l'antenna atomica, dagli atomi vicini.

L'energia assorbita dall'elettrone conferisce al materiale una tonalità particolare, motivo per cui questi sensori basati sulla vacanza sono spesso chiamati centri di colore.

Le energie degli elettroni intrappolati sono particolarmente sensibili ai cambiamenti vicini nel campo magnetico, nella temperatura e nella deformazione. Tuttavia, la loro sensibilità li rende anche suscettibili ad altri fattori ambientali che possono degradare le prestazioni di misura. Ecco perché la progettazione dei color center è un delicato atto di bilanciamento:garantire che gli elettroni rispondano fortemente al target di rilevamento da un lato riducendo al minimo le loro risposte al rumore di fondo indesiderato dall'altro.

Choy studia i processi di crescita dei materiali e le tecniche di caratterizzazione per ottenere le migliori prestazioni possibili dai centri colore.

Sta anche progettando strutture che potrebbero incanalare i fotoni dentro e fuori questi centri colore in modo efficiente, migliorando la capacità del sensore di raccogliere segnali ed emettere luce. Più e più velocemente l'elettrone può assorbire ed emettere i fotoni, più forte sarà il segnale.

Proprio come un video chiaro e senza ritardi rende l'esperienza Zoom più felice, una trasmissione del segnale chiara e senza ritardi rende un sensore quantistico più utile.

Le diverse strutture fotoniche che possono essere realizzate nel diamante suonano come sofisticati giocattoli armetici a scala atomica:nanofili; minuscoli risonatori metallici applicati vicino al posto vacante; uno strato di silicone appositamente progettato aggiunto sopra il diamante.

Ognuna di queste meraviglie architettoniche mira a facilitare la stretta di mano elettrone-fotone.

"The use of color centers for sensing has expanded to directions as varied as biosensing, condensed-matter studies and dark-matter detection over the past decade, and it is still a field that's rich in both fundamental and applied research," Choy said.

A quantum ensemble

As a member of HQAN, Choy is developing a different class of quantum devices called a quantum metamaterial.

Quantum metamaterials rely on an ensemble of closely packed, photon-emitting atoms. These quantum emitters can be neutral atoms, charged atoms or systems such as color centers.

They exhibit collective behavior when interacting with a common mode of light. Choy and her collaborators are working on accurately positioning the metamaterials' color centers and tailoring their properties in a way that neighboring emitters become indistinguishable from one another, behaving as a single unit.

"The emitters behave collectively. This allows us to control the speed at which they radiate photons—with far more control than when they're isolated," Choy said. "There are no individual features anymore."

With photon-emitting atoms working cooperatively, a quantum sensor could send a stronger, amplified, unified signal—one that responds to a single, incoming photon.

"We're interested in quantum metamaterials as a way to greatly enhance and control light-matter interaction with quantum systems," Choy said. "This can enable the ability to engineer a collective optical response based on a quantum state as well as extend the interaction range between quantum systems."

Pursuing applications in quantum

Choy's interest in quantum sensing began when she was a grad student at Harvard, where she earned master's and doctoral degrees in applied physics. She worked in Marko Loncar's lab developing diamond-based photonic devices.

"After grad school I realized I really enjoy hands-on work and wanted to do more of that. But I also wanted to have a better understanding of how the research that I do can further practical applications," she said.

So she went to work at Draper Lab in 2013, a not-for-profit organization in Cambridge, Massachusetts. There, she researched quantum sensing to develop precision accelerometers, gyroscopes and atomic clocks.

"The atomic clock, which serves as the basis of how the second is defined and is used by satellites in the GPS constellation, is an example where a quantum technology has completely changed our lives," she said. "Now we want to explore other transformative applications of quantum sensors, some of which require engineering solutions in order to maintain their best performance outside of the lab."

In 2019, Choy joined the faculty of the University of Wisconsin–Madison, where she continues to advance quantum-sensor performance and promote quantum education and workforce development.

"Quantum science and engineering is a field that can advance fundamental understanding and create enabling technologies for many disciplines in science and engineering. It's great for providing the next generation of scientists and engineers with well-rounded and multidisciplinary training," she said. "Quantum-enabled devices have both near-term applications and longer-term promise. That full spectrum of having both near-term, very tangible progress and impactful, long-term vision is exciting." + Esplora ulteriormente

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