Pesquisadores do MIT têm, pela primeira vez, fabricou um sensor quântico baseado em diamante em um chip de silício. O avanço pode abrir caminho para o baixo custo, hardware escalável para computação quântica, de detecção, e comunicação.

"Centros de vacância de nitrogênio (NV)" em diamantes são defeitos com elétrons que podem ser manipulados por luz e microondas. Em resposta, eles emitem fótons coloridos que carregam informações quânticas sobre os campos magnéticos e elétricos circundantes, que pode ser usado para biossensor, neuroimagem, detecção de objetos, e outras aplicações de detecção. Mas os sensores quânticos baseados em NV tradicionais são do tamanho de uma mesa de cozinha, com caro, componentes discretos que limitam a praticidade e escalabilidade.

Em um artigo publicado em Nature Electronics , os pesquisadores encontraram uma maneira de integrar todos esses componentes volumosos, incluindo um gerador de microondas, filtro óptico, e fotodetector - em um pacote de escala milimétrica, usando técnicas tradicionais de fabricação de semicondutores. Notavelmente, o sensor opera em temperatura ambiente com recursos para detectar a direção e magnitude dos campos magnéticos.

Os pesquisadores demonstraram o uso do sensor para magnetometria, o que significa que eles foram capazes de medir mudanças na escala atômica na frequência devido aos campos magnéticos circundantes, que pode conter informações sobre o meio ambiente. Com mais refinamento, o sensor pode ter uma gama de aplicações, desde o mapeamento de impulsos elétricos no cérebro até a detecção de objetos, mesmo sem uma linha de visão.

"É muito difícil bloquear campos magnéticos, então essa é uma grande vantagem para sensores quânticos, "diz o coautor Christopher Foy, é pós-graduando no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS). "Se houver um veículo viajando, dizer, um túnel subterrâneo abaixo de você, você seria capaz de detectá-lo mesmo que não o visse lá. "

Juntando-se a Foy no papel estão:Mohamed Ibrahim, um estudante de pós-graduação no EECS; Donggyu Kim Ph.D. '19; Matthew E. Trusheim, um pós-doutorado em EECS; Ruonan Han, professor associado do EECS e chefe do Terahertz Integrated Electronics Group, que faz parte dos Laboratórios de Tecnologia de Microsistemas (MTL) do MIT; e Dirk Englund, um professor associado do MIT de engenharia elétrica e ciência da computação, pesquisador do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica (RLE), e chefe do Laboratório de Fotônica Quântica.

Encolhendo e empilhando

Centros NV em diamantes ocorrem onde átomos de carbono em dois lugares adjacentes na estrutura da rede estão ausentes - um átomo é substituído por um átomo de nitrogênio, e o outro espaço é uma "vaga" vazia. Isso deixa ligações ausentes na estrutura, onde os elétrons são extremamente sensíveis a pequenas variações na eletricidade, magnético, e características ópticas do ambiente circundante.

O centro NV funciona essencialmente como um átomo, com um núcleo e elétrons circundantes. Ele também tem propriedades fotoluminescentes, o que significa que ele absorve e emite fótons coloridos. Varredura de micro-ondas no centro pode fazer com que mude de estado - positivo, neutro, e negativo - que por sua vez muda o spin de seus elétrons. Então, ele emite diferentes quantidades de fótons vermelhos, dependendo da rotação.

Uma técnica, chamada de ressonância magnética opticamente detectada (ODMR), mede quantos fótons são emitidos ao interagir com o campo magnético circundante. Essa interação produz ainda mais, informações quantificáveis ​​sobre o campo. Para que tudo funcione, sensores tradicionais requerem componentes volumosos, incluindo um laser montado, fonte de energia, gerador de microondas, condutores para direcionar a luz e as microondas, um filtro óptico e sensor, e um componente de leitura.

Em vez disso, os pesquisadores desenvolveram uma nova arquitetura de chip que posiciona e empilha minúsculos, componentes baratos de uma certa maneira usando tecnologia de semicondutor de óxido de metal complementar padrão (CMOS), então eles funcionam como esses componentes. "As tecnologias CMOS permitem estruturas 3-D muito complexas em um chip, "Ibrahim diz." Podemos ter um sistema completo no chip, e só precisamos de um pedaço de diamante e uma fonte de luz verde no topo. Mas isso pode ser um LED normal com escala de chip. "

Os centros NV dentro de uma placa de diamante são posicionados em uma "área de detecção" do chip. Uma pequena bomba de laser verde excita os centros NV, enquanto um nanofio colocado próximo aos centros NV gera ondas de varredura em resposta à corrente. Basicamente, a luz e o micro-ondas trabalham juntos para fazer os centros NV emitirem uma quantidade diferente de fótons vermelhos - com a diferença de ser o sinal de destino para leitura nos experimentos dos pesquisadores.

Abaixo dos centros NV está um fotodiodo, projetado para eliminar o ruído e medir os fótons. Entre o diamante e o fotodiodo está uma grade de metal que atua como um filtro que absorve os fótons verdes do laser enquanto permite que os fótons vermelhos atinjam o fotodiodo. Resumidamente, isso permite um dispositivo ODMR on-chip, que mede os deslocamentos da frequência de ressonância com os fótons vermelhos que carregam informações sobre o campo magnético circundante.

Mas como um chip pode fazer o trabalho de uma grande máquina? Um truque fundamental é simplesmente mover o fio condutor, que produz as microondas, a uma distância ideal dos centros NV. Mesmo que o chip seja muito pequeno, esta distância precisa permite que a corrente do fio gere campo magnético suficiente para manipular os elétrons. A integração estreita e o codesign dos fios condutores de micro-ondas e dos circuitos de geração também ajudam. Em seu jornal, os pesquisadores foram capazes de gerar campo magnético suficiente para permitir aplicações práticas na detecção de objetos.

Só o começo

Em outro artigo apresentado no início deste ano na Conferência Internacional de Circuitos de Estado Sólido, os pesquisadores descrevem um sensor de segunda geração que faz várias melhorias neste projeto para atingir uma sensibilidade 100 vezes maior. Próximo, os pesquisadores dizem que têm um "roteiro" de como aumentar a sensibilidade em 1, 000 vezes. Isso envolve basicamente o dimensionamento do chip para aumentar a densidade dos centros NV, que determina a sensibilidade.

Se eles fizerem, o sensor pode ser usado até mesmo em aplicações de neuroimagem. Isso significa colocar o sensor perto dos neurônios, onde pode detectar a intensidade e direção dos neurônios de disparo. Isso poderia ajudar os pesquisadores a mapear as conexões entre os neurônios e ver quais neurônios acionam uns aos outros. Outras aplicações futuras, incluindo a substituição de GPS para veículos e aviões. Porque o campo magnético na Terra foi tão bem mapeado, sensores quânticos podem servir como bússolas extremamente precisas, mesmo em ambientes com GPS negado.

"Estamos apenas no início do que podemos realizar, "Han diz." É uma longa jornada, mas já temos dois marcos na trilha, com os sensores de primeira e segunda geração. Planejamos ir da detecção à comunicação e à computação. Sabemos o caminho a seguir e sabemos como chegar lá. "

"Estou entusiasmado com esta tecnologia de sensor quântico e prevejo um grande impacto em vários campos, "diz Ron Walsworth, um palestrante sênior da Universidade de Harvard, cujo grupo desenvolve ferramentas de magnetometria de alta resolução usando centros NV.

"Eles deram um passo fundamental na integração dos sensores de diamante quântico com a tecnologia CMOS, incluindo geração e entrega de micro-ondas no chip, bem como filtragem no chip e detecção da luz fluorescente portadora de informações dos defeitos quânticos no diamante. A unidade resultante é compacta e de baixo consumo de energia. As próximas etapas serão aumentar ainda mais a sensibilidade e a largura de banda do sensor de diamante quântico [e] integrar o sensor de diamante CMOS com aplicações abrangentes, incluindo análise química, Espectroscopia de NMR, e caracterização de materiais. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.