Vivimos en un mundo ruidoso. Interferencia de la luz vibraciones la radiación electromagnética y el sonido pueden resultar molestos; interfiere con nuestro sueño y puede interferir con nuestro equipo eléctrico.

Para los físicos que estudian lo muy pequeño y lo muy lejano, el ruido puede ser un factor decisivo. Para reducirlo, a menudo necesitan crear grandes soluciones costosas.

Tuvieron que construir el acelerador de partículas más grande y poderoso del mundo para ver la pequeña señal de la partícula del bosón de Higgs. y la regla más larga y sensible del mundo para ver ondas gravitacionales. Los científicos tienen que enviar telescopios al espacio para evitar el ruido de nuestra atmósfera si quieren ver los detalles de las galaxias más distantes.

Pero la solución no siempre es a una escala tan grande. En una nueva investigación publicada en Física de la naturaleza , Un grupo de físicos de la Universidad de Melbourne ha encontrado una forma de reducir el ruido que experimentan los sensores cuánticos con solo girarlos.

Los sensores cuánticos son altamente sensibles y, entre sus muchas aplicaciones prometedoras, están marcando el comienzo de una nueva era de resonancia magnética (IRM) que está haciendo visibles los pequeños detalles dentro de las células y proteínas.

Un sensor cuántico particularmente prometedor es el centro de vacantes de nitrógeno (NV), encontrado en diamantes. Este es un defecto de nivel atómico, donde un átomo de nitrógeno reemplaza a un átomo de carbono, atrapando electrones en un estado cuántico.

"Un electrón es esencialmente un imán de barra, "dice el Dr. Alexander Wood de la Facultad de Física de la Universidad de Melbourne, quien fue el primer autor del artículo de Nature Physics.

"Tiene un polo norte y un polo sur. Y si ponemos un electrón en un campo magnético, girará muy rápidamente ".

Pero los electrones en los centros NV no son los únicos imanes en un diamante.

"En un diamante hay dos tipos de carbono. La mayoría son lo que se llama carbono-12, que es bastante aburrido, "dice el Dr. Wood.

"Sin embargo, aproximadamente 1 de cada 100 átomos de carbono es carbono 13. Tiene un neutrón extra.

"Como electrones, el núcleo de cada uno de estos átomos de carbono 13 es como una pequeña barra magnética. Y, como un imán de barra, si pones un núcleo de carbono 13 en un campo magnético, gira ".

Los estados cuánticos se basan en una propiedad llamada coherencia, que es sensible al 'ruido' ambiental que puede conducir a una pérdida del estado cuántico, conocido como desfase. Profesor asociado Andy Martin, quien dirigió el estudio financiado por el Australian Research Council, dice que mantener el estado cuántico de los centros NV es difícil.

"Un estado cuántico es frágil. Es frágil para el campo magnético en particular. Si tiene fluctuaciones en el campo magnético, se desfasará el sensor cuántico".

Mantener el estado cuántico es la clave para utilizar sistemas NV como sensores cuánticos de entornos a nanoescala.

Profesor Hollenberg, quien dirige un grupo de investigación de la Universidad de Melbourne sobre sensores cuánticos, compara el estado cuántico con una burbuja.

"Si su entorno es espinoso, entonces el estado cuántico no durará mucho. Pero si su entorno es menos espinoso, esa burbuja durará mucho más, " él dice.

"Este es el principio por el cual podemos sentir el entorno alrededor del centro NV a escalas extremadamente pequeñas y alta sensibilidad".

En el estudio, Los investigadores buscaron reducir el efecto del desfase rotando rápidamente todo el sistema.

"La barra magnética giratoria de los átomos de carbono-13 crea espinas en el campo magnético:interactúan con los centros NV, afectando su coherencia y capacidad de sentir, "dice el profesor asociado Martin.

Minimizar el ruido del carbono-13 aumenta la sensibilidad de los sensores cuánticos, lo que debería conducir a una mayor comprensión del mundo a nanoescala.

Esto se puede lograr utilizando diamantes de carbono-12 isotópicamente puros y de ingeniería sintética caros, o deteniendo el giro de los átomos de carbono 13. El problema de detener el giro del carbono 13 es que los electrones centrales NV también dejarían de girar, y este giro es crucial para el funcionamiento de estos sensores cuánticos.

La solución es engañar al centro NV para que piense que las barras magnéticas atómicas de los átomos de carbono 13 han dejado de girar.

Para hacer esto el equipo, trabajando en el laboratorio del profesor Robert Scholten, utilizó una técnica de la física clásica. Implica girar todo el diamante a altas velocidades.

"En el campo magnético que usamos normalmente, los imanes de barra atómicos de los centros NV girarán alrededor de 2.800 millones de veces por segundo, mientras que el carbono-13 girará alrededor de 5, 000 veces por segundo, "dice el Dr. Wood.

"Porque ya está girando tan rápido, si rotamos todo el diamante en 5, 000 veces por segundo, la barra magnética atómica del centro NV no se ve afectada.

"Pero los átomos de carbono 13 se ven afectados. Y debido a que el centro NV y el carbono 13 están ahora en el mismo marco de referencia, girando a 5, 000 veces por segundo en la misma dirección en que giran los átomos de carbono, significa que el centro NV ve el carbono-13 como esencialmente estacionario.

"Para que pueda cancelar efectivamente los campos magnéticos del carbono 13 que ven estos sensores colocando su sensor y el carbono 13 dentro del mismo marco giratorio".

"Lo que tenemos aquí es un entorno que cuando no estás rotando es bastante puntiagudo. Y cuando lo giras, se vuelve menos puntiagudo, aumentando la longevidad del estado cuántico, "dice el profesor asociado Martin.

Con base en esto, supondríamos que la precisión óptima se produciría cuando el diamante girara exactamente a la misma velocidad que el carbono-13. Pero los investigadores encontraron que este no era el caso.

"Es de esperar que la cuantidad del sensor aumente y aumente hasta que los giros del carbono 13 se congelen en el marco giratorio, pero a medida que nos acercamos al marco congelado, la coherencia empieza a bajar, porque los carbon-13 comienzan a interactuar entre sí, agregar ruido al sistema, "dice el Dr. Wood.

Los investigadores han determinado el pseudocampo que ofrece la mayor reducción del ruido de los giros del cabon-13.

"El punto óptimo parece estar en un campo magnético total, que es la combinación del campo normal y el pseudocampo del marco giratorio, de un Gauss, lo que equivale a que el sensor vea el giro del carbono unas 1000 veces por segundo, "dice el Dr. Wood.

"El Gauss es una medida de la densidad de flujo magnético, o fuerza del campo magnético. Por ejemplo, un imán de nevera tiene aproximadamente 100 Gauss y la fuerza del campo magnético de la Tierra es aproximadamente la mitad de Gauss ".

Si bien esta técnica pronto podría usarse para mejorar la precisión de los escáneres de resonancia magnética cuántica, El profesor asociado Martin dice que también puede ayudar a responder algunas preguntas fundamentales en física.

"Por ejemplo, los sensores cuánticos podrían ayudar a responder preguntas tales como; ¿Cuándo se convierte un fluido en fluido? ”, dice.

"Toma una molécula de agua, eso no es un fluido. Toma dos moléculas de agua eso tampoco es un fluido. En algún momento se convierte en un fluido y todo tiene que ver con la escala a la que está probando. Y solo puede ver eso si puede explorar esas escalas.

"Ahora tiene estos sensores basados ​​en defectos de nitrógeno en diamantes. No tienen que ser un gran diamante como un anillo de diamantes, pueden ser nanocristales. Pueden ser extremadamente pequeños.

"Entonces comienza a tener estos dispositivos que pueden medir la traslación y, ahora, movimiento rotacional. Te da una sonda en estas escalas muy pequeñas, no solo en términos de campos magnéticos, sino en términos del movimiento de traslación y rotación ".