Los sensores cuánticos, que detectan la mayoría de las diferencias mínimas en los campos magnéticos o eléctricos, han permitido realizar mediciones precisas en la ciencia de los materiales y la física fundamental. Pero estos sensores solo pudieron detectar unas pocas frecuencias específicas de estos campos, lo que limita su utilidad. Ahora, los investigadores del MIT han desarrollado una forma de permitir que estos sensores detecten cualquier frecuencia aleatoria, sin perder su capacidad de medir características a escala nanométrica.
El nuevo método, que el equipo ya ha aplicado para la protección de patentes, se describe en la revista. X. revisión físicaen un artículo escrito por el estudiante de posgrado Guoqing Wang, la profesora de Ciencias Nucleares, Ingeniería y Física Paula Capellaro, y otros cuatro en el MIT y el Laboratorio Lincoln.
Los sensores cuánticos pueden tomar muchas formas; Son esencialmente sistemas en los que algunas partículas se encuentran en un estado de equilibrio tan fino que se ven afectadas incluso por pequeñas diferencias en los campos a los que están expuestas. Estos pueden tomar la forma de átomos neutros, iones atrapados y espines de estado sólido, y la investigación que usa tales sensores ha crecido rápidamente. Por ejemplo, los físicos los usan para explorar estados exóticos de la materia, incluidos los llamados cristales de tiempo y fases topológicas, mientras que otros investigadores los usan para caracterizar dispositivos prácticos como la memoria cuántica experimental o dispositivos computacionales. Pero muchos otros fenómenos intrigantes abarcan un rango de frecuencia mucho más amplio que el que pueden detectar los sensores cuánticos.
El nuevo sistema que ideó el equipo, al que llaman mezclador cuántico, inyecta una segunda frecuencia en el detector mediante un haz de microondas. Esto convierte la frecuencia del campo en estudio a una frecuencia diferente, la diferencia entre la frecuencia original y la frecuencia de la señal añadida, que se sintoniza a la frecuencia específica a la que el detector es más sensible. Este sencillo proceso permite que el detector vuelva absolutamente a cualquier frecuencia deseada, sin pérdida de resolución espacial en la nanoescala del sensor.
En sus experimentos, el equipo utilizó un dispositivo específico basado en una matriz de centros de vacantes de nitrógeno en diamante, un sistema de detección cuántica ampliamente utilizado, y demostró con éxito la detección de una señal de 150 MHz, utilizando un detector de qubit de 2,2 GHz, una detección que sería imposible. sin multiplexor Cuantitativo. Luego realizaron análisis detallados del proceso derivando un marco teórico, basado en la teoría de Flockett, y probando las predicciones numéricas de esa teoría en una serie de experimentos.
Si bien sus pruebas utilizaron este sistema específico, dice Wang, «el mismo principio también se puede aplicar a cualquier tipo de sensor o dispositivo cuántico». El sistema será autónomo, el detector y la segunda fuente de frecuencia se ensamblarán en un solo dispositivo.
Wang dice que este sistema se puede utilizar, por ejemplo, para caracterizar en detalle el rendimiento de una antena de microondas. Puede distinguir la distribución del campo. [generated by the antenna] Con precisión a nanoescala, por lo que es muy prometedor en esa dirección».
Hay otras formas de cambiar la sensibilidad de frecuencia de algunos sensores cuánticos, pero requieren el uso de dispositivos grandes y fuertes campos magnéticos que desdibujan los detalles finos y hacen imposible lograr la altísima precisión que ofrece el nuevo sistema. En tales sistemas hoy, dice Wang, «es necesario usar un fuerte campo magnético para sintonizar el sensor, pero este campo magnético puede romper las propiedades de los materiales cuánticos, lo que puede afectar los fenómenos que desea medir».
El sistema puede abrir nuevas aplicaciones en campos biomédicos, según Capellaro, porque puede dar acceso a un rango de frecuencias de actividad eléctrica o magnética al nivel de una sola célula. Sería muy difícil obtener una precisión útil para tales señales utilizando los sistemas de detección cuánticos actuales, dice. Podría ser posible usar este sistema para detectar señales de salida de una sola neurona en respuesta a algún estímulo, por ejemplo, que normalmente incluyen una gran cantidad de ruido, lo que hace que estas señales sean difíciles de aislar.
El sistema también se puede utilizar para describir en detalle el comportamiento de materiales exóticos como los materiales 2D que se estudian ampliamente por sus propiedades electromagnéticas, ópticas y físicas.
En el trabajo en curso, el equipo está explorando la posibilidad de encontrar formas de ampliar el sistema para poder examinar un rango de frecuencias simultáneamente, en lugar de apuntar a la frecuencia única del sistema existente. También continuarán determinando las capacidades del sistema utilizando sensores cuánticos más potentes en el Laboratorio Lincoln, donde se encuentran algunos miembros del equipo de investigación.
El equipo incluyó a Yi Xiang Liu del Instituto de Tecnología de Massachusetts, Jennifer Schloss, Scott Alcid y Daniel Bray en el Laboratorio Lincoln. El trabajo fue apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) y Q-Diamond.
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