Los Físicos Realizan Mediciones Cuánticas En Más De Una Dimensión

Nueva forma de realizar mediciones cuánticas

La configuración experimental utilizada por los investigadores para probar su sistema de sensor magnético, utilizando luz láser verde para microscopía confocal. Fotos cortesía de RLE

Investigadores de MIT . La nueva herramienta podría ser útil en aplicaciones tan diversas como mapear los impulsos eléctricos dentro de una neurona activa, caracterizar nuevos materiales magnéticos y sondear fenómenos físicos cuánticos exóticos.

El nuevo enfoque se describe hoy en la revista Physical Review Letters en un artículo del estudiante graduado Yi-Xiang Liu, el ex estudiante graduado Ashok Ajoy y la profesora de ciencia e ingeniería nuclear Paola Cappellaro.

La técnica se basa en una plataforma ya desarrollada para sondear campos magnéticos con alta precisión, utilizando pequeños defectos en el diamante llamados centros de nitrógeno vacío (NV). Estos defectos consisten en dos lugares adyacentes en la red ordenada de átomos de carbono del diamante donde faltan átomos de carbono; uno de ellos es reemplazado por un nitrógeno átomo , y el otro se deja vacío. Esto deja enlaces faltantes en la estructura, con electrones que son extremadamente sensibles a pequeñas variaciones en su entorno, ya sean eléctricas, magnéticas o basadas en la luz.

Los usos anteriores de centros de NV únicos para detectar campos magnéticos han sido extremadamente precisos, pero solo han sido capaces de medir esas variaciones a lo largo de una sola dimensión, alineada con el eje del sensor. Pero para algunas aplicaciones, como el mapeo de las conexiones entre neuronas midiendo la dirección exacta de cada impulso de disparo, también sería útil medir el componente lateral del campo magnético.

Mediciones cuánticas

La configuración experimental utilizada por los investigadores para probar su sistema de sensores. La muestra que se está probando está en el escenario justo debajo del extremo estrecho de la caja verde, a la derecha del centro, que alberga imanes. Fotos cortesía de RLE

Esencialmente, el nuevo método resuelve ese problema utilizando un oscilador secundario proporcionado por el giro nuclear del átomo de nitrógeno. El componente lateral del campo que se va a medir empuja la orientación del oscilador secundario. Al golpearlo ligeramente fuera del eje, el componente lateral induce una especie de oscilación que aparece como una fluctuación periódica del campo alineado con el sensor, convirtiendo así ese componente perpendicular en un patrón de onda superpuesto a la medición primaria del campo magnético estático. Esto luego se puede convertir matemáticamente para determinar la magnitud del componente lateral.

El método proporciona tanta precisión en esta segunda dimensión como en la primera dimensión, explica Liu, mientras sigue utilizando un solo sensor, conservando así su resolución espacial a nanoescala. Para leer los resultados, los investigadores utilizan un microscopio confocal óptico que hace uso de una propiedad especial de los centros NV: cuando se exponen a la luz verde, emiten un resplandor rojo, o fluorescencia, cuya intensidad depende de su estado de giro exacto. . Estos centros NV pueden funcionar como qubits, el equivalente en computación cuántica de los bits utilizados en la computación ordinaria.

“Podemos distinguir el estado de giro de la fluorescencia”, explica Liu. “Si está oscuro”, produce menos fluorescencia, “ese es un estado ‘uno’, y si es brillante, es un estado ‘cero’”, dice. “Si la fluorescencia es un número intermedio, entonces el estado de giro está entre ‘cero’ y ‘uno'”.

La aguja de una simple brújula magnética indica la dirección de un campo magnético, pero no su fuerza. Algunos dispositivos existentes para medir campos magnéticos pueden hacer lo contrario, midiendo la fuerza del campo con precisión en una dirección, pero no dicen nada acerca de la orientación general de ese campo. Esa información direccional es lo que puede proporcionar el nuevo sistema de detectores.

En este nuevo tipo de “brújula”, dice Liu, “podemos decir hacia dónde apunta por el brillo de la fluorescencia” y las variaciones en ese brillo. El campo primario está indicado por el nivel de brillo general y constante, mientras que la oscilación introducida al golpear el campo magnético fuera del eje se muestra como una variación regular en forma de onda de ese brillo, que luego puede medirse con precisión.

Una aplicación interesante de esta técnica sería poner los centros de diamante NV en contacto con una neurona, dice Liu. Cuando la célula dispara su potencial de acción para activar otra célula, el sistema debería poder detectar no solo la intensidad de su señal, sino también su dirección, ayudando así a trazar las conexiones y ver qué células están activando qué otras. De manera similar, al probar nuevos materiales magnéticos que podrían ser adecuados para el almacenamiento de datos u otras aplicaciones, el nuevo sistema debería permitir una medición detallada de la magnitud y orientación de los campos magnéticos en el material.

A diferencia de otros sistemas que requieren temperaturas extremadamente bajas para funcionar, este nuevo sistema de sensor magnético puede funcionar bien a temperatura ambiente normal, dice Liu, lo que hace posible analizar muestras biológicas sin dañarlas.

La tecnología para este nuevo enfoque ya está disponible. “Puede hacerlo ahora, pero primero necesita tomarse un tiempo para calibrar el sistema”, dice Liu.

Por ahora, el sistema solo proporciona una medida del componente perpendicular total del campo magnético, no su orientación exacta. “Ahora, solo extraemos la componente transversal total; no podemos señalar la dirección ”, dice Liu. Pero agregar ese componente tridimensional podría hacerse mediante la introducción de un campo magnético estático agregado como punto de referencia. “Siempre que podamos calibrar ese campo de referencia”, dice, sería posible obtener la información tridimensional completa sobre la orientación del campo, y “hay muchas formas de hacerlo”.

Amit Finkler, un científico senior en física química del Instituto Weizmann de Israel, que no participó en este trabajo, dice: “Esta es una investigación de alta calidad. … Obtienen una sensibilidad a los campos magnéticos transversales a la par con la sensibilidad de CC para campos paralelos, lo que es impresionante y alentador para aplicaciones prácticas ”.

Finkler agrega: “Como los autores escriben humildemente en el manuscrito, este es de hecho el primer paso hacia la magnetometría vectorial a nanoescala. Queda por ver si su técnica se puede aplicar a muestras reales, como moléculas o sistemas de materia condensada “. Sin embargo, dice: “La conclusión es que, como usuario / implementador potencial de esta técnica, estoy muy impresionado y, además, animado a adoptar y aplicar este esquema en mis configuraciones experimentales”.

Si bien esta investigación estaba dirigida específicamente a medir campos magnéticos, los investigadores dicen que la misma metodología básica podría usarse para medir otras propiedades de las moléculas, incluida la rotación, la presión, los campos eléctricos y otras características. La investigación fue apoyada por la National Science Foundation y la US Army Research Office.

Publicación: Yi-Xiang Liu, et al., “Magnetometría de CC de vector a nanoescala mediante conversión ascendente de frecuencia asistida por Ancilla”, Physical Review Letters, 2019; doi: 10.1103 / PhysRevLett.122.100501

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