El sensor cuántico puede detectar señales electromagnéticas de cualquier frecuencia

(Noticias de Nanowerk) Los sensores cuánticos que detectan fluctuaciones diminutas en los campos magnéticos o eléctricos han permitido realizar mediciones de precisión en la ciencia de los materiales y la física fundamental. Sin embargo, estos sensores solo pudieron detectar unas pocas frecuencias específicas de estos campos, lo que limitó su utilidad. Ahora, los investigadores del MIT han desarrollado un método que permite que dichos sensores detecten cualquier frecuencia sin perder su capacidad de medir características a escala nanométrica.

El nuevo proceso, para el cual el equipo ya ha solicitado protección por patente, se describe en la revista. Comprobación física X («Sensing of Arbitrary-Frequency Fields Using a Quantum Mixer»), en un artículo del estudiante graduado Guoqing Wang, la profesora de ciencia e ingeniería nuclear y física Paola Cappellaro, y otros cuatro en el MIT y el Laboratorio Lincoln. Investigadores del MIT han desarrollado un método que permite a los sensores cuánticos detectar cualquier frecuencia sin perder su capacidad de medir características a escala nanométrica. Los sensores cuánticos detectan las más mínimas variaciones en los campos magnéticos o eléctricos, pero hasta ahora solo han podido detectar unas pocas frecuencias específicas, lo que limita su utilidad. (Imagen: Guoqing Wang)

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 fluctuaciones mínimas 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 de tales sensores ha aumentado rápidamente. Por ejemplo, los físicos los usan para estudiar 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 memorias cuánticas experimentales o dispositivos informáticos. Pero muchos otros fenómenos interesantes abarcan un rango de frecuencia mucho más amplio que el que pueden detectar los sensores cuánticos actuales.

El nuevo sistema que ha desarrollado el equipo, al que llaman mezclador cuántico, utiliza un haz de microondas para inyectar una segunda frecuencia en el detector. Esto convierte la frecuencia del campo en estudio a otra frecuencia, la diferencia entre la frecuencia original y la de la señal añadida, que se sintoniza a la frecuencia específica a la que el detector es más sensible. Este proceso simple permite que el detector se asiente en cualquier frecuencia deseada sin sacrificar la resolución espacial a nanoescala del sensor.

En sus experimentos, el equipo utilizó un dispositivo específico basado en una serie de vacantes de nitrógeno en el diamante, un sistema de sensor cuántico ampliamente utilizado, y demostró con éxito la detección de una señal con una frecuencia de 150 megahercios utilizando un detector de qubits con una frecuencia de 2 .2 gigahercios: una detección que no sería posible sin el multiplexor cuántico. Luego llevaron a cabo análisis detallados del proceso derivando un marco teórico basado en la teoría de Floquet y probando las predicciones numéricas de esta teoría en una serie de experimentos.

Si bien sus pruebas utilizaron este sistema en particular, dice Wang, «el mismo principio también se puede aplicar a cualquier tipo de sensor o dispositivo cuántico». dispositivo

Wang dice que este sistema podría usarse, por ejemplo, para caracterizar en detalle el rendimiento de una antena de microondas. “Puede caracterizar la distribución del campo [generated by the antenna] con resolución a nanoescala, por lo que es muy prometedor en esa dirección», dice.

Hay otras formas de cambiar la sensibilidad de frecuencia de algunos sensores cuánticos, pero requieren el uso de grandes equipos y potentes campos magnéticos que desdibujan los detalles finos e imposibilitan alcanzar la altísima resolución que ofrece el nuevo sistema. En tales sistemas hoy en día, dice Wang, «tienes que usar un fuerte campo magnético para sintonizar el sensor, pero ese campo magnético puede afectar potencialmente las propiedades del material cuántico, lo que puede afectar los fenómenos que deseas medir».

El sistema podría abrir nuevas aplicaciones en campos biomédicos, según Cappellaro, ya que puede acceder a un rango de frecuencias de actividad eléctrica o magnética al nivel de una sola célula. Sería muy difícil obtener una resolución utilizable de tales señales con los sistemas de sensores cuánticos actuales, dice. Puede ser posible usar este sistema, por ejemplo, para capturar señales de salida de una sola neurona en respuesta a un estímulo, que normalmente contienen mucho ruido, lo que dificulta aislar dichas señales.

El sistema también podría usarse para caracterizar en detalle el comportamiento de materiales exóticos como los materiales 2D, que se estudian intensamente por sus propiedades electromagnéticas, ópticas y físicas.

En el trabajo en curso, el equipo está explorando la posibilidad de encontrar formas de expandir el sistema para poder probar un rango de frecuencias simultáneamente, en lugar de apuntar al sistema actual a una sola frecuencia. También continuarán definiendo las capacidades del sistema utilizando dispositivos de sensores cuánticos más potentes en el Laboratorio Lincoln, donde se encuentran algunos miembros del equipo de investigación.