Vivemos em um mundo barulhento. Interferência da luz, vibrações, radiação eletromagnética e som podem ser irritantes; atrapalha nosso sono e pode interferir em nosso equipamento elétrico.

Para físicos que estudam o muito pequeno e o muito distante, o ruído pode ser um obstáculo. Para reduzi-lo, muitas vezes precisam criar grandes, soluções caras.

Eles tiveram que construir o maior e mais poderoso acelerador de partículas do mundo para ver o minúsculo sinal da partícula do Bóson de Higgs, e a régua mais longa e sensível do mundo para ver as ondas gravitacionais. Os cientistas precisam enviar telescópios ao espaço para evitar o ruído de nossa atmosfera se quiserem ver os detalhes das galáxias mais distantes.

Mas a solução nem sempre é em grande escala. Em nova pesquisa publicada em Física da Natureza , um grupo de físicos da Universidade de Melbourne encontrou uma maneira de reduzir o ruído experimentado pelos sensores quânticos apenas girando-os.

Os sensores quânticos são altamente sensíveis e, entre suas muitas aplicações promissoras, estão inaugurando uma nova era de MRI (Imagem por Ressonância Magnética) que torna visíveis os pequenos detalhes dentro das células e proteínas.

Um sensor quântico particularmente promissor é o centro de vacância de nitrogênio (NV), encontrado em diamantes. Esta é uma falha de nível atômico, onde um átomo de nitrogênio substitui um átomo de carbono, captura de elétrons em um estado quântico.

"Um elétron é essencialmente um ímã de barra, "diz o Dr. Alexander Wood da Escola de Física da Universidade de Melbourne, quem foi o primeiro autor do artigo da Nature Physics.

"Tem um pólo norte e um pólo sul. E se colocarmos um elétron em um campo magnético, ele vai girar muito rapidamente. "

Mas os elétrons nos centros NV não são os únicos ímãs em um diamante.

"Em um diamante, você tem dois tipos de carbono. A maioria é o que é chamado de carbono-12, o que é muito chato, "diz o Dr. Wood.

"Contudo, cerca de 1 em cada 100 átomos de carbono é um carbono-13. Ele tem um nêutron extra.

"Como elétrons, o núcleo de cada um desses átomos de carbono-13 é como uma pequena barra magnética. E, como um ímã de barra, se você colocar um núcleo de carbono-13 em um campo magnético, ele gira. "

Os estados quânticos dependem de uma propriedade chamada coerência, que é sensível ao 'ruído' ambiental que pode levar a uma perda do estado quântico, conhecido como defasagem. Professor Associado Andy Martin, que liderou o estudo financiado pelo Australian Research Council, diz que manter o estado quântico dos centros NV é difícil.

"Um estado quântico é frágil. É frágil para o campo magnético em particular. Se você tiver flutuações no campo magnético, ele irá defasar o sensor quântico."

Manter o estado quântico é a chave para usar sistemas NV como sensores quânticos de ambientes em nanoescala

Professor Hollenberg, que lidera um grupo de pesquisa da Universidade de Melbourne em sensores quânticos, compara o estado quântico a uma bolha.

"Se o seu ambiente é espinhoso, então o estado quântico não durará muito. Mas se o seu ambiente for menos espinhoso, essa bolha vai durar muito mais tempo, " ele diz.

"Este é o princípio pelo qual podemos sentir o ambiente ao redor do centro NV em escalas extremamente pequenas e alta sensibilidade."

No estudo, os pesquisadores procuraram reduzir o efeito da defasagem girando rapidamente todo o sistema.

"A barra magnética atômica giratória dos átomos de carbono-13 cria espinhos no campo magnético - eles interagem com os centros NV, afetando sua coerência e capacidade de sentir, "diz o professor associado Martin.

Minimizar o ruído do carbono-13 aumenta a sensibilidade dos sensores quânticos, o que deve levar a maiores insights sobre o mundo em nanoescala.

Isso pode ser alcançado usando diamantes de carbono-12 isotopicamente puros, sinteticamente projetados e caros, ou parando os átomos de carbono-13 de girarem. O problema de parar a rotação do carbono-13 é que os elétrons centrais NV também parariam de girar, e esse giro é crucial para o funcionamento desses sensores quânticos.

A solução é enganar o centro NV fazendo-o pensar que as barras magnéticas atômicas dos átomos de carbono-13 pararam de girar.

Para fazer isso a equipe, trabalhando no laboratório do Professor Robert Scholten, usou uma técnica da física clássica. Envolve girar todo o diamante em altas velocidades.

"No campo magnético que normalmente usamos, barras-magnéticas atômicas dos centros NV girarão cerca de 2,8 bilhões de vezes por segundo, enquanto o carbono-13 girará cerca de 5, 000 vezes por segundo, "diz o Dr. Wood.

"Porque já está girando tão rápido, se girarmos o diamante inteiro em 5, 000 vezes por segundo, a barra magnética atômica do centro NV não é afetada.

"Mas os átomos de carbono-13 são afetados. E porque o centro NV e o carbono-13 estão agora no mesmo quadro de referência, girando em 5, 000 vezes por segundo na mesma direção em que os átomos de carbono giram, isso significa que o centro NV vê o carbono-13 como essencialmente estacionário.

"Assim, você pode cancelar efetivamente os campos magnéticos do carbono-13 que esses sensores veem, colocando o seu sensor e o carbono-13 dentro da mesma estrutura rotativa."

"O que temos aqui é um ambiente que, quando você não está girando, fica bastante pontiagudo. E quando você gira, torna-se menos pontiagudo, aumentando a longevidade do estado quântico, "diz o professor associado Martin.

Com base nisso, assumiríamos que a precisão ideal ocorreria quando o diamante estivesse girando exatamente na mesma taxa do carbono-13. Mas os pesquisadores descobriram que não era esse o caso.

"Você esperaria que o quantum do sensor subisse cada vez mais até que os spins do carbono-13 estivessem congelados no quadro rotativo, mas à medida que nos aproximamos da moldura congelada, a coerência começa a cair, porque os carbono-13s começam a interagir uns com os outros, adicionando ruído de volta ao sistema, "diz o Dr. Wood.

Os pesquisadores determinaram o pseudo-campo que dá a maior redução no ruído dos spins do cabon-13.

"O ponto ideal parece estar em um campo magnético total - que é a combinação do campo normal e do pseudo-campo rotativo - de um Gauss, o que equivale a que o sensor veja o carbono girar cerca de 1000 vezes por segundo, "diz o Dr. Wood.

"O Gauss é uma medida da densidade do fluxo magnético, ou força do campo magnético. Por exemplo, um ímã de geladeira tem cerca de 100 Gauss e a força do campo magnético da Terra é cerca de metade de Gauss. "

Embora essa técnica possa em breve ser usada para melhorar a precisão dos scanners de ressonância magnética quântica, O professor associado Martin diz que também pode ajudar a responder a algumas questões fundamentais da física.

"Por exemplo, sensores quânticos podem ajudar a responder a perguntas como; quando um fluido se torna um fluido? ", diz ele.

"Pegue uma molécula de água, isso não é um fluido. Pegue duas moléculas de água, isso também não é um fluido. Em algum ponto, ele se torna um fluido e tem tudo a ver com a escala em que você está sondando. E você só pode olhar para isso se puder sondar até essas escalas.

"Agora você tem esses sensores baseados em defeitos de nitrogênio em diamantes. Eles não precisam ser um grande diamante como um anel de diamante, eles podem ser nanocristais. Eles podem ser extremamente pequenos.

"Então você começa a ter esses dispositivos que podem medir translacionais e, agora, movimento rotacional. Isso dá a você uma sondagem nessas escalas muito pequenas, não apenas em termos de campos magnéticos, mas em termos de movimento de translação e rotação. "