Jennifer Choy fabrica antenas del tamaño de un átomo. No se parecen en nada a la barra telescópica que transmite los éxitos del pop a través de un estéreo portátil. Pero funcionalmente, son similares. Son sensores cuánticos que captan pequeñas señales electromagnéticas y las transmiten de una manera que podemos medir.

¿Qué tan pequeña es una señal? Un sensor cuántico podría discernir los cambios de temperatura en una sola célula de tejido humano o incluso los campos magnéticos que se originan en el núcleo de la Tierra.

Jennifer Choy, científica de la Universidad de Wisconsin-Madison, está desarrollando tecnologías que podrían conducir a acelerómetros y magnetómetros ultraprecisos para la navegación y para probar cambios minúsculos en los campos electromagnéticos de un material.

"Puede pensar en estos sensores cuánticos como una sonda de escala atómica que le permite ser sensible y medir cambios realmente localizados en los campos magnéticos", dijo Choy. "Y puede ampliar sus mediciones para probar características magnéticas macroscópicas y otros parámetros físicos como la tensión mecánica y la temperatura".

Aprovechando la naturaleza cuántica de los átomos, que se revela solo en las escalas más pequeñas de la naturaleza, y su sensibilidad a las perturbaciones externas, estos sensores exhiben una exactitud y precisión extraordinarias, lo que hace que sus contrapartes tradicionales parezcan instrumentos desafilados en comparación.

Para Choy, el desafío es aumentar la eficiencia con la que estos instrumentos invisibles transmiten información. La investigación es a partes iguales descubrimiento de física e ingeniería, dice ella.

"Encuentro el trabajo emocionante porque encaja bien con el tipo de entrenamiento heterogéneo que tuve", dijo Choy, quien es miembro de Q-NEXT, un Centro Nacional de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica del Departamento de Energía (DOE) de EE. UU. por el Laboratorio Nacional Argonne del DOE y el Instituto del Desafío del Salto Cuántico de la Fundación Nacional de Ciencias para Arquitecturas y Redes Cuánticas Híbridas, o HQAN. "Soy un físico aplicado de formación, y no me clasifico como un físico o un ingeniero puro. Pero realmente disfruto esa intersección de la ciencia fundamental y el trabajo de ingeniería".

Luz y materia

Choy trabaja en sensores cuánticos en los que los electrones de los materiales cuánticos actúan como antena. La información que recogen se puede leer a través de sus interacciones con fotones, las partículas sin masa que transportan información electromagnética.

Cuanto más firme sea el apretón de manos entre el electrón y el fotón, más clara será la transmisión.

Cuando el electrón recibe una señal particular, absorbe la energía del fotón. ¡Shoomp! El electrón energizado se dispara a un peldaño más alto en la escalera de la energía atómica. Cuando llega el momento de disipar la energía, el electrón cae desde ese peldaño superior al suelo, ¡pum!, y la energía acumulada se libera como un fotón de un color particular.

Los científicos leen la luz y miden sus propiedades, como la intensidad y la longitud de onda, para interpretar la señal original.

Centros de color

Como miembro de Q-NEXT, Choy está diseñando sensores que toman la forma de agujeros del tamaño de un átomo en un diamante creado por la eliminación de átomos de carbono individuales. La vacante y un átomo adyacente juntos atrapan un par de electrones, la antena atómica, de los átomos vecinos.

La energía absorbida por el electrón le da al material un tono particular, razón por la cual estos sensores basados ​​en vacantes a menudo se denominan centros de color.

Las energías de los electrones atrapados son especialmente sensibles a los cambios cercanos en el campo magnético, la temperatura y la tensión. Sin embargo, su sensibilidad también los hace susceptibles a otros factores ambientales que pueden degradar el rendimiento de la medición. Es por eso que diseñar centros de color es un delicado acto de equilibrio:garantizar que los electrones respondan fuertemente al objetivo de detección por un lado y minimizar sus respuestas al ruido de fondo no deseado por el otro.

Choy investiga los procesos de crecimiento de materiales y las técnicas de caracterización para obtener el mejor rendimiento posible de los centros de color.

También está diseñando estructuras que podrían canalizar fotones dentro y fuera de estos centros de color de manera eficiente, mejorando la capacidad del sensor para recolectar señales y emitir luz. Cuanto más y más rápido el electrón pueda absorber y emitir los fotones, más fuerte será la señal.

Así como un video claro y sin retrasos hace que la experiencia de Zoom sea más feliz, una transmisión de señal clara y sin retrasos hace que el sensor cuántico sea más útil.

Las diferentes estructuras fotónicas que se pueden realizar en el diamante suenan como juguetes sofisticados a escala atómica:nanocables; diminutos resonadores metálicos aplicados cerca de la vacante; una capa de silicona especialmente diseñada añadida sobre el diamante.

Cada una de estas maravillas arquitectónicas tiene como objetivo facilitar el apretón de manos electrón-fotón.

"The use of color centers for sensing has expanded to directions as varied as biosensing, condensed-matter studies and dark-matter detection over the past decade, and it is still a field that's rich in both fundamental and applied research," Choy said.

A quantum ensemble

As a member of HQAN, Choy is developing a different class of quantum devices called a quantum metamaterial.

Quantum metamaterials rely on an ensemble of closely packed, photon-emitting atoms. 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." + Explora más

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