Il rilevamento quantistico viene utilizzato per superare i moderni processi di rilevamento applicando la meccanica quantistica alla progettazione e all'ingegneria. Questi processi ottimizzati aiuteranno a superare i limiti attuali in processi come lo studio di materiali magnetici o lo studio di campioni biologici. In breve, quanto è la prossima frontiera nella tecnologia di rilevamento.

Fino al 2019, difetti di spin noti come qubit sono stati scoperti in materiali 2D (nitruro di boro esagonale) che potrebbero amplificare il campo del rilevamento quantistico ultrasottile. Questi scienziati hanno incontrato un intoppo nella loro scoperta che ha scatenato una corsa scientifica per risolvere i problemi. La loro sensibilità era limitata dalla loro bassa luminosità e dal basso contrasto del loro segnale di risonanza magnetica. Di recente, due settimane fa, il 9 agosto, 2021, Fisica della natura ha pubblicato un articolo intitolato "i sensori quantistici si appiattiscono, " dove hanno evidenziato i vantaggi e hanno anche delineato le attuali carenze di questo nuovo ed entusiasmante mezzo di rilevamento tramite qubit nei materiali 2D.

Un team di ricercatori di Purdue ha affrontato questa sfida per superare le carenze del segnale qubit nel loro lavoro per sviluppare sensori quantistici ultrasottili con materiali 2D. La loro pubblicazione in Nano lettere è stato pubblicato oggi, 2 settembre 2021, e hanno risolto alcune delle criticità e hanno prodotto risultati molto migliori attraverso la sperimentazione.

Cosa hanno fatto di diverso? Dott. Tongcang Li, Professore Associato di Fisica e Astronomia e Ingegneria Elettrica e Informatica, spiega che il film d'oro ha contribuito a questa svolta.

"Nel nostro lavoro, abbiamo usato una pellicola d'oro per aumentare la luminosità degli spin qubit fino a 17 volte, Li dice. "Il film d'oro supporta il plasmone di superficie che può accelerare l'emissione di fotoni in modo da poter raccogliere più fotoni e quindi più segnali. Inoltre, abbiamo migliorato il contrasto del loro segnale di risonanza magnetica di un fattore 10 ottimizzando il design di una guida d'onda a microonde. Di conseguenza, abbiamo sostanzialmente migliorato la sensibilità di questi difetti di spin per il rilevamento del campo magnetico, temperatura locale, e pressione locale".

Questa ricerca è stata condotta interamente presso la Purdue University ed è stata collaborativa tra più dipartimenti. Tutti i dodici autori di questo articolo provengono dalla Purdue University:Xingyu Gao, Boyang Jiang, Andres E. Llacsahuanga Allcca, Kunhong Shen, Mohammad A. Sadi, Abhishek B. Solanki, Peng Ju, Zhujing Xu, Pramey Upadhyaya, Yong P. Chen, Sunil A. Bhave, e Tongcang Li. Il primo autore, Xingyu Gao, è uno studente laureato che lavora nel laboratorio di Li.

"Questo documento documenta i risultati della collaborazione tra il Prof. Sunil A. Bhave, Prof. Yong P. Chen, Prof. Pramey Upadhyaya, e il mio gruppo di ricerca, " afferma Li. "L'atmosfera collaborativa alla Purdue è fondamentale per noi per produrre rapidamente questi risultati".

In questo esperimento, il gruppo ha applicato un laser verde e un microonde su questi qubit di spin in un materiale 2D. Il materiale emetterà quindi fotoni con colori diversi (rosso e vicino infrarosso) sotto l'illuminazione di un laser verde. La velocità di emissione dei fotoni dipende dal campo magnetico, temperatura, e pressione. Perciò, la luminosità di questi qubit di spin cambierà quando il campo magnetico, temperatura, o variazioni di pressione. Così, sono stati in grado di misurare accuratamente il campo magnetico con un'elevata sensibilità.

Nel futuro, il gruppo prevede di utilizzare questi qubit di spin per studiare nuovi materiali. Sperano anche di migliorare ulteriormente il segnale in modo che un singolo qubit di spin in un materiale 2D possa essere utilizzato per il rilevamento quantistico con una sensibilità e una risoluzione senza precedenti.