Jennifer Choy faz antenas do tamanho de átomos. Eles não têm nenhuma semelhança com a haste telescópica que transmite hits pop através de um aparelho de som portátil. Mas funcionalmente, eles são semelhantes. Eles são sensores quânticos, captando pequenos sinais eletromagnéticos e os retransmitindo de uma maneira que podemos medir.
Quão pequeno é um sinal? Um sensor quântico poderia discernir mudanças de temperatura em uma única célula de tecido humano ou até mesmo campos magnéticos originados no núcleo da Terra.

Jennifer Choy, cientista da Universidade de Wisconsin-Madison, está desenvolvendo tecnologias que podem levar a acelerômetros e magnetômetros ultraprecisos para navegação e para sondar mudanças minúsculas nos campos eletromagnéticos de um material.

“Você pode pensar nesses sensores quânticos como uma sonda em escala atômica que permite que você seja sensível e meça mudanças realmente localizadas em campos magnéticos”, disse Choy. “E você pode estender suas medições para sondar características magnéticas macroscópicas e outros parâmetros físicos, como tensão mecânica e temperatura”.

Aproveitando a natureza quântica dos átomos – que se revela apenas nas menores escalas da natureza – e sua sensibilidade a distúrbios externos, esses sensores exibem extraordinária exatidão e precisão, fazendo com que seus equivalentes tradicionais pareçam instrumentos contundentes em comparação.

Para Choy, o desafio é aumentar a eficiência com que esses instrumentos invisíveis transmitem informações. A pesquisa é descoberta de física e engenharia em partes iguais, diz ela.

"Acho o trabalho emocionante porque é um bom ajuste para o tipo de treinamento confuso que eu tive", disse Choy, que é membro do Q-NEXT, um Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do Departamento de Energia dos EUA (DOE) liderado pelo Argonne National Laboratory do DOE e pelo Quantum Leap Challenge Institute for Hybrid Quantum Architectures and Networks da National Science Foundation, ou HQAN. "Sou um físico aplicado por formação, e não me classifico como puramente físico ou engenheiro. Mas eu realmente gosto dessa interseção de ciência fundamental e trabalho de engenharia."

Luz e matéria

Choy trabalha em sensores quânticos nos quais os elétrons em materiais quânticos atuam como antenas. As informações que eles captam podem ser lidas por meio de suas interações com fótons, as partículas sem massa que carregam informações eletromagnéticas.

Quanto mais firme for o aperto de mão entre o elétron e o fóton, mais clara será a transmissão.

Quando o elétron recebe um determinado sinal, ele absorve a energia do fóton. Shoomp! O elétron energizado dispara para um degrau mais alto na escada da energia atômica. Quando chega a hora de dissipar a energia, o elétron cai daquele degrau superior para o solo — thwop! — e a energia reprimida é liberada como um fóton de uma determinada cor.

Os cientistas lêem a luz, medindo suas propriedades – como intensidade e comprimento de onda – para interpretar o sinal original.

Centros de cores

Como membro da Q-NEXT, Choy está projetando sensores que assumem a forma de buracos do tamanho de átomos em um diamante criados pela remoção de átomos de carbono individuais. A vacância e um átomo adjacente prendem juntos um par de elétrons – a antena atômica – dos átomos vizinhos.

A energia absorvida pelo elétron dá ao material uma tonalidade particular, e é por isso que esses sensores baseados em vacância são frequentemente chamados de centros de cores.

As energias dos elétrons presos são especialmente sensíveis a mudanças próximas no campo magnético, temperatura e tensão. No entanto, sua sensibilidade também os torna suscetíveis a outros fatores ambientais que podem degradar o desempenho da medição. É por isso que a engenharia de centros de cores é um ato de equilíbrio delicado:garantir que os elétrons respondam fortemente ao alvo de detecção, por um lado, enquanto minimizam suas respostas ao ruído de fundo indesejado, por outro.

Choy investiga processos de crescimento de materiais e técnicas de caracterização para obter o melhor desempenho possível dos centros de cores.

Ela também está projetando estruturas que podem canalizar fótons para dentro e para fora desses centros de cores com eficiência, melhorando a capacidade do sensor de coletar sinais e emitir luz. Quanto mais e mais rápido o elétron puder absorver e emitir os fótons, mais forte será o sinal.

Assim como um vídeo claro e sem atraso contribui para uma experiência de Zoom mais feliz, uma transmissão de sinal clara e sem atraso contribui para um sensor quântico mais útil.

As diferentes estruturas fotônicas que podem ser realizadas no diamante soam como brinquedos sofisticados em escala atômica:nanofios; minúsculos ressonadores metálicos aplicados perto da vaga; uma camada de silício especialmente projetada adicionada em cima do diamante.

Cada uma dessas maravilhas arquitetônicas visa facilitar o handshake elétron-fóton.

“O uso de centros de cores para detecção se expandiu para direções tão variadas quanto biossensores, estudos de matéria condensada e detecção de matéria escura na última década, e ainda é um campo rico em pesquisas fundamentais e aplicadas”, disse Choy.

Um conjunto quântico

Como membro da HQAN, Choy está desenvolvendo uma classe diferente de dispositivos quânticos chamada metamaterial quântico.

Os metamateriais quânticos dependem de um conjunto de átomos emissores de fótons muito próximos. These quantum emitters can be neutral atoms, charged atoms or systems such as color centers.

They exhibit collective behavior when interacting with a common mode of light. Choy and her collaborators are working on accurately positioning the metamaterials' color centers and tailoring their properties in a way that neighboring emitters become indistinguishable from one another, behaving as a single unit.

"The emitters behave collectively. This allows us to control the speed at which they radiate photons—with far more control than when they're isolated," Choy said. "There are no individual features anymore."

With photon-emitting atoms working cooperatively, a quantum sensor could send a stronger, amplified, unified signal—one that responds to a single, incoming photon.

"We're interested in quantum metamaterials as a way to greatly enhance and control light-matter interaction with quantum systems," Choy said. "This can enable the ability to engineer a collective optical response based on a quantum state as well as extend the interaction range between quantum systems."

Pursuing applications in quantum

Choy's interest in quantum sensing began when she was a grad student at Harvard, where she earned master's and doctoral degrees in applied physics. She worked in Marko Loncar's lab developing diamond-based photonic devices.

"After grad school I realized I really enjoy hands-on work and wanted to do more of that. But I also wanted to have a better understanding of how the research that I do can further practical applications," she said.

So she went to work at Draper Lab in 2013, a not-for-profit organization in Cambridge, Massachusetts. There, she researched quantum sensing to develop precision accelerometers, gyroscopes and atomic clocks.

"The atomic clock, which serves as the basis of how the second is defined and is used by satellites in the GPS constellation, is an example where a quantum technology has completely changed our lives," she said. "Now we want to explore other transformative applications of quantum sensors, some of which require engineering solutions in order to maintain their best performance outside of the lab."

In 2019, Choy joined the faculty of the University of Wisconsin–Madison, where she continues to advance quantum-sensor performance and promote quantum education and workforce development.

"Quantum science and engineering is a field that can advance fundamental understanding and create enabling technologies for many disciplines in science and engineering. It's great for providing the next generation of scientists and engineers with well-rounded and multidisciplinary training," she said. "Quantum-enabled devices have both near-term applications and longer-term promise. That full spectrum of having both near-term, very tangible progress and impactful, long-term vision is exciting." + Explorar mais

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