Los sensores cuánticos, que detectan las variaciones más diminutas en los campos magnéticos o eléctricos, han permitido realizar mediciones de precisión en la ciencia de los materiales y la física fundamental. Pero estos sensores solo han sido capaces de detectar unas pocas frecuencias específicas de estos campos, lo que limita su utilidad. Ahora, los investigadores del MIT han desarrollado un método para permitir que dichos sensores detecten cualquier frecuencia arbitraria, sin perder su capacidad para medir características a escala nanométrica.

El nuevo método, para el cual el equipo ya ha solicitado protección por patente, se describe en la revista Physical Review X , en un artículo del estudiante graduado Guoqing Wang, profesor de ciencia e ingeniería nuclear y de física Paola Cappellaro, y otros cuatro en el MIT y el Laboratorio Lincoln.

Los sensores cuánticos pueden tomar muchas formas; son esencialmente sistemas en los que algunas partículas se encuentran en un estado de equilibrio tan delicado que se ven afectadas incluso por pequeñas variaciones 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 que usa tales sensores ha crecido rápidamente. Por ejemplo, los físicos los usan para investigar 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 la memoria cuántica experimental o dispositivos de computación. Pero muchos otros fenómenos de interés abarcan un rango de frecuencia mucho más amplio que el que pueden detectar los sensores cuánticos actuales.

El nuevo sistema que ideó el equipo, al que llaman mezclador cuántico, inyecta una segunda frecuencia en el detector mediante un haz de microondas. Esto convierte la frecuencia del campo que se está estudiando en una frecuencia diferente, 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 ubique en cualquier frecuencia deseada, sin pérdida en la resolución espacial a nanoescala del sensor.

En sus experimentos, el equipo utilizó un dispositivo específico basado en una serie de centros de vacantes de nitrógeno en diamante, un sistema de detección cuántica 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 sería imposible sin el multiplexor cuántico. Luego realizaron análisis detallados del proceso derivando un marco teórico, basado en la teoría de Floquet, y probando las predicciones numéricas de esa teoría en una serie de experimentos.

Si bien sus pruebas utilizaron este sistema específico, dice Wang, "el mismo principio también se puede aplicar a cualquier tipo de sensores o dispositivos cuánticos". El sistema sería autónomo, con el detector y la fuente de la segunda frecuencia, todo empaquetado en un solo dispositivo.

Wang dice que este sistema podría usarse, por ejemplo, para caracterizar en detalle el rendimiento de una antena de microondas. "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. + Explora más

Improving quantum sensors by measuring the orientation of coherent spins inside a diamond lattice

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