Sensor quântico pode detectar sinais eletromagnéticos de qualquer frequência
Os engenheiros do MIT expandem as capacidades desses detectores ultrasensíveis de nanoescala, com potenciais usos para computação quântica e sensoriamento biológico.
Sensores quânticos, que detectam as variações mais minúsculas em campos magnéticos ou elétricos, permitiram medições de precisão na ciência dos materiais e na física fundamental. Mas esses sensores só foram capazes de detectar algumas frequências específicas desses campos, limitando sua utilidade. Agora, pesquisadores do MIT desenvolveram um método para permitir que tais sensores detectem qualquer frequência arbitrária, sem perda de sua capacidade de medir características em escala de nanômetros.
O novo método, para o qual a equipe já solicitou a proteção de patentes, é descrito na revista Physical Review X, em um artigo do estudante de pós-graduação Guoqing Wang, professor de ciência nuclear e engenharia e de física Paola Cappellaro, e outros quatro no MIT e no Lincoln Laboratory.
Explicando o sensor quântico
Sensores quânticos podem assumir muitas formas; eles são essencialmente sistemas em que algumas partículas estão em um estado tão delicadamente equilibrado que são afetadas até mesmo por pequenas variações nos campos a que estão expostas.
Estes podem tomar a forma de átomos neutros, íons presos e giros de estado sólido, e a pesquisa usando tais sensores tem crescido rapidamente. Por exemplo, os físicos os usam para investigar estados exóticos da matéria, incluindo os chamados cristais do tempo e fases topológicas, enquanto outros pesquisadores os usam para caracterizar dispositivos práticos, como memória quântica experimental ou dispositivos de computação. Mas muitos outros fenômenos de interesse abrangem uma faixa de frequência muito mais ampla do que os sensores quânticos de hoje podem detectar.
O novo sistema que a equipe criou, que eles chamam de misturador quântico, injeta uma segunda frequência no detector usando um feixe de micro-ondas. Isso converte a frequência do campo sendo estudado em uma frequência diferente – a diferença entre a frequência original e a do sinal adicionado – que é ajustada à frequência específica a que o detector é mais sensível. Este processo simples permite que o detector abriga em qualquer frequência desejada, sem perda na resolução espacial nanoescala do sensor.
O experimento
Em seus experimentos, a equipe usou um dispositivo específico baseado em uma matriz de centros de vacância de nitrogênio em diamante, um sistema de sensoriamento quântico amplamente utilizado, e demonstrou com sucesso a detecção de um sinal com uma frequência de 150 mega-hertz, usando um detector de qubit com frequência de 2,2 giga-hertz — uma detecção que seria impossível sem o multiplexador quântico. Eles então fizeram análises detalhadas do processo derivando uma estrutura teórica, baseada na teoria de Floquet, e testando as previsões numéricas dessa teoria em uma série de experimentos.
Embora seus testes usaram esse sistema específico, Wang diz: “o mesmo princípio também pode ser aplicado a qualquer tipo de sensores ou dispositivos quânticos“. O sistema seria autônomo, com o detector e a fonte da segunda frequência, todos embalados em um único dispositivo.
Wang diz que este sistema poderia ser usado, por exemplo, para caracterizar em detalhes o desempenho de uma antena de micro-ondas. “Pode caracterizar a distribuição do campo [gerado pela antena] com resolução de nanoescala, por isso é muito promissor nessa direção“, diz.
Existem outras formas de alterar a sensibilidade de frequência de alguns sensores quânticos, mas estes requerem o uso de grandes dispositivos e fortes campos magnéticos que desfocam os detalhes finos e impossibilitam alcançar a alta resolução que o novo sistema oferece. Em tais sistemas hoje, Wang diz, “você precisa usar um campo magnético forte para sintonizar o sensor, mas esse campo magnético pode potencialmente quebrar as propriedades do material quântico, o que pode influenciar os fenômenos que você quer medir“.
O sistema pode abrir novas aplicações em campos biomédicos, de acordo com Cappellaro, porque pode tornar acessível uma gama de frequências de atividade elétrica ou magnética ao nível de uma única célula. Seria muito difícil obter uma resolução útil de tais sinais usando sistemas de sensoriamento quântico atuais, diz ela. Pode ser possível usar este sistema para detectar sinais de saída de um único neurônio em resposta a alguns estímulos, por exemplo, que normalmente incluem uma grande quantidade de ruído, tornando tais sinais difíceis de isolar.
O sistema também poderia ser usado para caracterizar detalhadamente o comportamento de materiais exóticos, como materiais 2D que estão sendo intensamente estudados para suas propriedades eletromagnéticas, ópticas e físicas.
No trabalho contínuo, a equipe está explorando a possibilidade de encontrar maneiras de expandir o sistema para ser capaz de sondar uma gama de frequências ao mesmo tempo, em vez da segmentação de frequência única do sistema atual. Eles também continuarão a definir as capacidades do sistema usando dispositivos de sensoriamento quântico mais poderosos no Laboratório Lincoln, onde alguns membros da equipe de pesquisa estão baseados.
Conteúdo compartilhado e distribuído sob licença da MIT. Confira o artigo original.
