Sensores quânticos, que detectam as mais pequenas variações em campos magnéticos ou elétricos, permitiram medições de precisão em ciência de materiais e física fundamental. Mas esses sensores só foram capazes de detectar algumas frequências específicas desses campos, limitando sua utilidade. Agora, pesquisadores do MIT desenvolveram um método para permitir que esses sensores detectem qualquer frequência arbitrária, sem perda de sua capacidade de medir recursos em escala nanométrica.
O novo método, para o qual a equipe já solicitou proteção de patente, está descrito na revista Physical Review X , em um artigo do estudante de pós-graduação Guoqing Wang, professor de ciência e engenharia nuclear e de física Paola Cappellaro, e quatro outros no MIT e no Lincoln Laboratory.

Os sensores quânticos podem assumir muitas formas; são essencialmente sistemas em que algumas partículas estão em um estado de equilíbrio tão delicado que são afetadas por pequenas variações nos campos aos quais são expostas. Estes podem assumir a forma de átomos neutros, íons presos e spins de estado sólido, e a pesquisa usando esses sensores cresceu rapidamente. Por exemplo, os físicos os usam para investigar estados exóticos da matéria, incluindo os chamados cristais de tempo e fases topológicas, enquanto outros pesquisadores os usam para caracterizar dispositivos práticos, como memória quântica experimental ou dispositivos de computação. Mas muitos outros fenômenos de interesse abrangem uma faixa de frequência muito mais ampla do que os sensores quânticos de hoje podem detectar.

O novo sistema que a equipe desenvolveu, que eles chamam de misturador quântico, injeta uma segunda frequência no detector usando um feixe de micro-ondas. Isso converte a frequência do campo que está sendo estudado em uma frequência diferente - a diferença entre a frequência original e a do sinal adicionado - que é sintonizada na frequência específica à qual o detector é mais sensível. Esse processo simples permite que o detector se aproxime de qualquer frequência desejada, sem perda na resolução espacial em nanoescala do sensor.

Em seus experimentos, a equipe usou um dispositivo específico baseado em uma matriz de centros de vacância de nitrogênio em diamante, um sistema de detecção quântica amplamente utilizado, e demonstrou com sucesso a detecção de um sinal com uma frequência de 150 megahertz, usando um detector de qubit com frequência de 2,2 gigahertz — uma detecção que seria impossível sem o multiplexador quântico. Eles então fizeram análises detalhadas do processo derivando uma estrutura teórica, baseada na teoria de Floquet, e testando as previsões numéricas dessa teoria em uma série de experimentos.

Embora seus testes tenham usado esse sistema específico, diz Wang, “o mesmo princípio também pode ser aplicado a qualquer tipo de sensor ou dispositivo quântico”. O sistema seria autocontido, com o detector e a fonte da segunda frequência todos empacotados em um único dispositivo.

Wang diz que esse sistema poderia ser usado, por exemplo, para caracterizar em detalhes o desempenho de uma antena de micro-ondas. "It can characterize the distribution of the field [generated by the antenna] with nanoscale resolution, so it's very promising in that direction," he says.

There are other ways of altering the frequency sensitivity of some quantum sensors, but these require the use of large devices and strong magnetic fields that blur out the fine details and make it impossible to achieve the very high resolution that the new system offers. In such systems today, Wang says, "you need to use a strong magnetic field to tune the sensor, but that magnetic field can potentially break the quantum material properties, which can influence the phenomena that you want to measure."

The system may open up new applications in biomedical fields, according to Cappellaro, because it can make accessible a range of frequencies of electrical or magnetic activity at the level of a single cell. It would be very difficult to get useful resolution of such signals using current quantum sensing systems, she says. It may be possible using this system to detect output signals from a single neuron in response to some stimulus, for example, which typically include a great deal of noise, making such signals hard to isolate.

The system could also be used to characterize in detail the behavior of exotic materials such as 2D materials that are being intensely studied for their electromagnetic, optical, and physical properties.

In ongoing work, the team is exploring the possibility of finding ways to expand the system to be able to probe a range of frequencies at once, rather than the present system's single frequency targeting. They will also be continuing to define the system's capabilities using more powerful quantum sensing devices at Lincoln Laboratory, where some members of the research team are based. + Explorar mais

Melhorando sensores quânticos medindo a orientação de spins coerentes dentro de uma rede de diamante

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