Los investigadores del MIT tienen, por primera vez, fabricó un sensor cuántico basado en diamantes en un chip de silicio. El avance podría allanar el camino hacia el bajo costo, hardware escalable para computación cuántica, sintiendo y comunicación.

Los "centros de vacancia de nitrógeno (NV)" en los diamantes son defectos con electrones que pueden manipularse con luz y microondas. En respuesta, emiten fotones de colores que transportan información cuántica sobre los campos eléctricos y magnéticos circundantes, que se puede utilizar para biodetección, neuroimagen, detección de objetos, y otras aplicaciones de detección. Pero los sensores cuánticos tradicionales basados ​​en NV tienen aproximadamente el tamaño de una mesa de cocina, con caro, componentes discretos que limitan la practicidad y la escalabilidad.

En un artículo publicado en Electrónica de la naturaleza , los investigadores encontraron una manera de integrar todos esos componentes voluminosos, incluido un generador de microondas, filtro óptico, y fotodetector, en un paquete a escala milimétrica, utilizando técnicas tradicionales de fabricación de semiconductores. Notablemente, el sensor funciona a temperatura ambiente con capacidad para detectar la dirección y la magnitud de los campos magnéticos.

Los investigadores demostraron el uso del sensor para magnetometría, lo que significa que pudieron medir cambios a escala atómica en la frecuencia debido a los campos magnéticos circundantes, que podría contener información sobre el medio ambiente. Con mayor refinamiento, el sensor podría tener una variedad de aplicaciones, desde el mapeo de impulsos eléctricos en el cerebro hasta la detección de objetos, incluso sin una línea de visión.

"Es muy difícil bloquear los campos magnéticos, eso es una gran ventaja para los sensores cuánticos, "dice el coautor Christopher Foy, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS). "Si hay un vehículo viajando, decir, un túnel subterráneo debajo de ti, podría detectarlo incluso si no lo ve allí ".

Junto a Foy en el papel están:Mohamed Ibrahim, estudiante de posgrado en EECS; Donggyu Kim Ph.D. '19; Matthew E. Trusheim, un postdoctorado en EECS; Ruonan Han, profesor asociado en EECS y director del Grupo de Electrónica Integrada Terahertz, que es parte de Microsystems Technology Laboratories (MTL) del MIT; y Dirk Englund, un profesor asociado del MIT de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación, investigador en el Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE), y jefe del Laboratorio de Fotónica Cuántica.

Contracción y apilamiento

Los centros NV en los diamantes ocurren donde faltan átomos de carbono en dos lugares adyacentes en la estructura reticular:un átomo es reemplazado por un átomo de nitrógeno, y el otro espacio es una "vacante" vacía. Eso deja enlaces perdidos en la estructura, donde los electrones son extremadamente sensibles a pequeñas variaciones eléctricas, magnético, y características ópticas en el entorno circundante.

El centro NV funciona esencialmente como un átomo, con un núcleo y electrones circundantes. También tiene propiedades fotoluminiscentes, lo que significa que absorbe y emite fotones de colores. El barrido de microondas en el centro puede hacer que cambie de estado:positivo, neutral, y negativo, que a su vez cambia el giro de sus electrones. Luego, emite diferentes cantidades de fotones rojos, dependiendo del giro.

Una tecnica, llamada resonancia magnética detectada ópticamente (ODMR), mide cuántos fotones se emiten al interactuar con el campo magnético circundante. Esa interacción produce más, información cuantificable sobre el campo. Para que todo eso funcione, los sensores tradicionales requieren componentes voluminosos, incluido un láser montado, fuente de alimentación, generador de microondas, conductores para enrutar la luz y las microondas, un filtro óptico y un sensor, y un componente de lectura.

En cambio, los investigadores desarrollaron una arquitectura de chip novedosa que posiciona y apila pequeños, componentes económicos de cierta manera utilizando tecnología estándar complementaria de semiconductores de óxido de metal (CMOS), por lo que funcionan como esos componentes. "Las tecnologías CMOS permiten estructuras 3D muy complejas en un chip, "Dice Ibrahim." Podemos tener un sistema completo en el chip, y solo necesitamos un trozo de diamante y una fuente de luz verde en la parte superior. Pero eso puede ser un LED normal a escala de chip ".

Los centros NV dentro de una losa de diamante se colocan en un "área de detección" del chip. Una pequeña bomba láser verde excita los centros NV, mientras que un nanoalambre colocado cerca de los centros de NV genera microondas de barrido en respuesta a la corriente. Básicamente, la luz y las microondas trabajan juntas para hacer que los centros de NV emitan una cantidad diferente de fotones rojos, con la diferencia de que la señal objetivo para la lectura en los experimentos de los investigadores.

Debajo de los centros NV hay un fotodiodo, diseñado para eliminar el ruido y medir los fotones. Entre el diamante y el fotodiodo hay una rejilla de metal que actúa como un filtro que absorbe los fotones del láser verde mientras permite que los fotones rojos alcancen el fotodiodo. En breve, esto habilita un dispositivo ODMR en chip, que mide los cambios de frecuencia de resonancia con los fotones rojos que transportan información sobre el campo magnético circundante.

Pero, ¿cómo puede un chip hacer el trabajo de una máquina grande? Un truco clave es simplemente mover el cable conductor, que produce las microondas, a una distancia óptima de los centros NV. Incluso si el chip es muy pequeño, esta distancia precisa permite que la corriente del cable genere suficiente campo magnético para manipular los electrones. La estrecha integración y codificación de los cables conductores de microondas y los circuitos de generación también ayudan. En su papel los investigadores pudieron generar suficiente campo magnético para permitir aplicaciones prácticas en la detección de objetos.

Solo el comienzo

En otro documento presentado a principios de este año en la Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido, los investigadores describen un sensor de segunda generación que realiza varias mejoras en este diseño para lograr una sensibilidad 100 veces mayor. Próximo, los investigadores dicen que tienen una "hoja de ruta" sobre cómo aumentar la sensibilidad en 1, 000 veces. Eso básicamente implica escalar el chip para aumentar la densidad de los centros NV, que determina la sensibilidad.

Si lo hacen, el sensor podría utilizarse incluso en aplicaciones de neuroimagen. Eso significa poner el sensor cerca de las neuronas, donde puede detectar la intensidad y la dirección de las neuronas de disparo. Eso podría ayudar a los investigadores a mapear las conexiones entre neuronas y ver qué neuronas se activan entre sí. Otras aplicaciones futuras que incluyen un reemplazo de GPS para vehículos y aviones. Debido a que el campo magnético de la Tierra se ha cartografiado tan bien, Los sensores cuánticos pueden servir como brújulas extremadamente precisas. incluso en entornos sin GPS.

"Estamos solo al comienzo de lo que podemos lograr, "Han dice." Es un largo viaje, pero ya tenemos dos hitos en la pista, con los sensores de primera y segunda generación. Planeamos pasar de la detección a la comunicación y a la informática. Conocemos el camino a seguir y sabemos cómo llegar ".

"Estoy entusiasmado con esta tecnología de sensor cuántico y preveo un gran impacto en varios campos, "dice Ron Walsworth, profesor titular de la Universidad de Harvard, cuyo grupo desarrolla herramientas de magnetometría de alta resolución utilizando centros NV.

"Han dado un paso clave en la integración de sensores de diamantes cuánticos con tecnología CMOS, incluida la generación y entrega de microondas en chip, así como el filtrado en chip y la detección de la luz fluorescente portadora de información de los defectos cuánticos en el diamante. La unidad resultante es compacta y de relativamente baja potencia. Los próximos pasos serán mejorar aún más la sensibilidad y el ancho de banda del sensor de diamante cuántico [e] integrar el sensor de diamante CMOS con una amplia gama de aplicaciones, incluido el análisis químico, Espectroscopia de RMN, y caracterización de materiales ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.