Jennifer Choy maakt antennes ter grootte van een atoom. Ze lijken niet op de telescopische staaf die pophits doorgeeft via een draagbare stereo. Maar functioneel zijn ze vergelijkbaar. Het zijn kwantumsensoren, die kleine elektromagnetische signalen opvangen en doorgeven op een manier die we kunnen meten.

Hoe klein een signaal? Een kwantumsensor kan temperatuurveranderingen waarnemen in een enkele cel van menselijk weefsel of zelfs magnetische velden die afkomstig zijn uit de kern van de aarde.

Jennifer Choy, een wetenschapper aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, ontwikkelt technologieën die kunnen leiden tot ultraprecieze versnellingsmeters en magnetometers voor navigatie en voor het onderzoeken van minuscule veranderingen in de elektromagnetische velden van een materiaal.

"Je kunt deze kwantumsensoren zien als een sonde op atomaire schaal waarmee je gevoelig kunt zijn voor echt gelokaliseerde veranderingen in magnetische velden en deze kunt meten", zei Choy. "En u kunt uw metingen uitbreiden om macroscopische magnetische kenmerken en andere fysieke parameters zoals mechanische belasting en temperatuur te onderzoeken."

Door gebruik te maken van de kwantumaard van atomen - die zich alleen op de kleinste schaal van de natuur openbaart - en hun gevoeligheid voor externe verstoringen, vertonen deze sensoren buitengewone nauwkeurigheid en precisie, waardoor hun traditionele tegenhangers er in vergelijking uitzien als botte instrumenten.

Voor Choy is de uitdaging om de efficiëntie te verhogen waarmee deze onzichtbare instrumenten informatie doorgeven. Het onderzoek bestaat uit gelijke delen natuurkundige ontdekking en engineering, zegt ze.

"Ik vind het werk opwindend omdat het goed past bij het soort mengelmoes dat ik heb gehad", zegt Choy, die lid is van zowel Q-NEXT, een National Quantum Information Science Research Center van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), geleid door DOE's Argonne National Laboratory, en het Quantum Leap Challenge Institute for Hybrid Quantum Architectures and Networks, of HQAN, van de National Science Foundation. "Ik ben een toegepaste natuurkundige van opleiding, en ik categoriseer mezelf niet als puur natuurkundige of ingenieur. Maar ik geniet echt van die kruising van fundamentele wetenschap en techniek."

Licht en materie

Choy werkt aan kwantumsensoren waarin elektronen in kwantummaterialen als antenne fungeren. De informatie die ze oppikken, kan worden afgelezen door hun interacties met fotonen, de massaloze deeltjes die elektromagnetische informatie dragen.

Hoe steviger de handdruk tussen het elektron en het foton, hoe duidelijker de transmissie.

Wanneer het elektron een bepaald signaal ontvangt, absorbeert het de energie van het foton. Schop! Het bekrachtigde elektron schiet naar een hogere sport op de atoomenergieladder. Als het tijd is om de energie af te voeren, valt het elektron van die bovenste sport naar de grond - thwop! - en komt de opgehoopte energie vrij als een foton van een bepaalde kleur.

De wetenschappers lezen het licht en meten de eigenschappen ervan, zoals intensiteit en golflengte, om het oorspronkelijke signaal te interpreteren.

Kleurcentra

Als lid van Q-NEXT ontwikkelt Choy sensoren die de vorm aannemen van gaten ter grootte van een atoom in een diamant, gecreëerd door de verwijdering van individuele koolstofatomen. De vacature en een aangrenzend atoom vangen samen een elektronenpaar - de atoomantenne - van naburige atomen.

De energie die door het elektron wordt geabsorbeerd, geeft het materiaal een bepaalde tint, daarom worden deze op vacatures gebaseerde sensoren vaak kleurcentra genoemd.

De energieën van de gevangen elektronen zijn bijzonder gevoelig voor nabije veranderingen in magnetisch veld, temperatuur en spanning. Hun gevoeligheid maakt ze echter ook vatbaar voor andere omgevingsfactoren die de meetprestaties kunnen verslechteren. Dat is de reden waarom het ontwerpen van kleurcentra een delicate evenwichtsoefening is:ervoor zorgen dat de elektronen sterk reageren op het detecterende doel aan de ene kant, terwijl ze aan de andere kant hun reacties op ongewenste achtergrondruis minimaliseren.

Choy onderzoekt materiaalgroeiprocessen en karakteriseringstechnieken om de best mogelijke prestaties uit kleurcentra te halen.

Ze ontwerpt ook structuren die fotonen efficiënt in en uit deze kleurcentra kunnen leiden, waardoor het vermogen van de sensor om zowel signalen te verzamelen als licht uit te zenden, wordt verbeterd. Hoe meer en hoe sneller het elektron de fotonen kan absorberen en uitzenden, hoe sterker het signaal.

Net zoals een heldere video zonder vertraging zorgt voor een prettigere Zoom-ervaring, zorgt een heldere signaaloverdracht zonder vertraging voor een bruikbare kwantumsensor.

De verschillende fotonische structuren die in diamant kunnen worden gerealiseerd, klinken als verfijnd knutselspeelgoed op atoomschaal:nanodraden; kleine metalen resonatoren toegepast bij de vacature; een laag speciaal ontworpen silicium bovenop diamant.

Elk van deze architecturale wonderen is bedoeld om de elektron-foton-handshake te vergemakkelijken.

"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." + Verder verkennen

2D-array van elektronen- en kernspinqubits opent nieuwe grens in de kwantumwetenschap