I sensori quantistici, che rilevano le variazioni più piccole nei campi magnetici o elettrici, hanno consentito misurazioni di precisione nella scienza dei materiali e nella fisica fondamentale. Ma questi sensori sono stati in grado di rilevare solo alcune frequenze specifiche di questi campi, limitandone l'utilità. Ora, i ricercatori del MIT hanno sviluppato un metodo per consentire a tali sensori di rilevare qualsiasi frequenza arbitraria, senza perdere la loro capacità di misurare caratteristiche su scala nanometrica.

Il nuovo metodo, per il quale il team ha già richiesto la protezione del brevetto, è descritto nella rivista Physical Review X , in un articolo dello studente laureato Guoqing Wang, professore di scienze e ingegneria nucleare e di fisica Paola Cappellaro, e di altri quattro al MIT e al Lincoln Laboratory.

I sensori quantistici possono assumere molte forme; sono essenzialmente sistemi in cui alcune particelle si trovano in uno stato così delicatamente equilibrato da risentire di variazioni anche minime nei campi a cui sono esposte. Questi possono assumere la forma di atomi neutri, ioni intrappolati e spin allo stato solido e la ricerca che utilizza tali sensori è cresciuta rapidamente. Ad esempio, i fisici li usano per studiare stati esotici della materia, inclusi i cosiddetti cristalli temporali e le fasi topologiche, mentre altri ricercatori li usano per caratterizzare dispositivi pratici come la memoria quantistica sperimentale o dispositivi di calcolo. Ma molti altri fenomeni di interesse coprono una gamma di frequenze molto più ampia di quella che i sensori quantistici di oggi possono rilevare.

Il nuovo sistema ideato dal team, che chiamano mixer quantistico, inietta una seconda frequenza nel rivelatore utilizzando un raggio di microonde. Questo converte la frequenza del campo studiato in una frequenza diversa, la differenza tra la frequenza originale e quella del segnale aggiunto, che è sintonizzata sulla frequenza specifica a cui il rivelatore è più sensibile. Questo semplice processo consente al rivelatore di puntare su qualsiasi frequenza desiderata, senza alcuna perdita nella risoluzione spaziale su scala nanometrica del sensore.

Nei loro esperimenti, il team ha utilizzato un dispositivo specifico basato su una serie di centri di posti vacanti di azoto nel diamante, un sistema di rilevamento quantistico ampiamente utilizzato, e ha dimostrato con successo il rilevamento di un segnale con una frequenza di 150 megahertz, utilizzando un rilevatore di qubit con frequenza di 2,2 gigahertz:un rilevamento che sarebbe impossibile senza il multiplexer quantistico. Hanno quindi svolto analisi dettagliate del processo derivando un quadro teorico, basato sulla teoria di Floquet, e testando le previsioni numeriche di tale teoria in una serie di esperimenti.

Mentre i loro test hanno utilizzato questo sistema specifico, dice Wang, "lo stesso principio può essere applicato anche a qualsiasi tipo di sensore o dispositivo quantistico". Il sistema sarebbe autonomo, con il rivelatore e la sorgente della seconda frequenza tutti racchiusi in un unico dispositivo.

Wang afferma che questo sistema potrebbe essere utilizzato, ad esempio, per caratterizzare in dettaglio le prestazioni di un'antenna a microonde. "Può caratterizzare la distribuzione del campo [generato dall'antenna] con una risoluzione su scala nanometrica, quindi è molto promettente in quella direzione", afferma.

Esistono altri modi per alterare la sensibilità in frequenza di alcuni sensori quantistici, ma questi richiedono l'uso di dispositivi di grandi dimensioni e forti campi magnetici che offuscano i minimi dettagli e rendano impossibile ottenere l'altissima risoluzione offerta dal nuovo sistema. In tali sistemi oggi, dice Wang, "è necessario utilizzare un forte campo magnetico per regolare il sensore, ma quel campo magnetico può potenzialmente rompere le proprietà quantistiche del materiale, che possono influenzare i fenomeni che si desidera misurare".

Il sistema potrebbe aprire nuove applicazioni in campo biomedico, secondo Cappellaro, perché può rendere accessibile una gamma di frequenze di attività elettrica o magnetica a livello di una singola cellula. Sarebbe molto difficile ottenere una risoluzione utile di tali segnali utilizzando gli attuali sistemi di rilevamento quantistico, afferma. Potrebbe essere possibile utilizzare questo sistema per rilevare i segnali in uscita da un singolo neurone in risposta a uno stimolo, ad esempio, che in genere include una grande quantità di rumore, rendendo tali segnali difficili da isolare.

Il sistema potrebbe anche essere utilizzato per caratterizzare in dettaglio il comportamento di materiali esotici come i materiali 2D che vengono studiati intensamente per le loro proprietà elettromagnetiche, ottiche e fisiche.

Nel lavoro in corso, il team sta esplorando la possibilità di trovare modi per espandere il sistema in modo da poter sondare una gamma di frequenze contemporaneamente, piuttosto che il targeting a frequenza singola del sistema attuale. Continueranno inoltre a definire le capacità del sistema utilizzando dispositivi di rilevamento quantistico più potenti presso il Lincoln Laboratory, dove hanno sede alcuni membri del team di ricerca. + Esplora ulteriormente

Miglioramento dei sensori quantistici misurando l'orientamento di spin coerenti all'interno di un reticolo diamantato

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