Quantumsensoren, die de kleinste variaties in magnetische of elektrische velden detecteren, hebben precisiemetingen mogelijk gemaakt in materiaalkunde en fundamentele fysica. Maar deze sensoren zijn slechts in staat geweest om enkele specifieke frequenties van deze velden te detecteren, waardoor hun bruikbaarheid werd beperkt. Nu hebben onderzoekers van MIT een methode ontwikkeld waarmee dergelijke sensoren elke willekeurige frequentie kunnen detecteren, zonder verlies van hun vermogen om kenmerken op nanometerschaal te meten.

De nieuwe methode, waarvoor het team al octrooibescherming heeft aangevraagd, wordt beschreven in het tijdschrift Physical Review X , in een paper van afgestudeerde student Guoqing Wang, hoogleraar nucleaire wetenschappen en techniek en natuurkunde Paola Cappellaro, en vier anderen aan het MIT en Lincoln Laboratory.

Quantumsensoren kunnen vele vormen aannemen; het zijn in wezen systemen waarin sommige deeltjes zich in zo'n delicaat uitgebalanceerde staat bevinden dat ze worden beïnvloed door zelfs kleine variaties in de velden waaraan ze worden blootgesteld. Deze kunnen de vorm aannemen van neutrale atomen, ingesloten ionen en spins in vaste toestand, en het onderzoek met dergelijke sensoren is snel gegroeid. Natuurkundigen gebruiken ze bijvoorbeeld om exotische toestanden van materie te onderzoeken, waaronder zogenaamde tijdkristallen en topologische fasen, terwijl andere onderzoekers ze gebruiken om praktische apparaten zoals experimenteel kwantumgeheugen of rekenapparaten te karakteriseren. Maar veel andere interessante fenomenen omvatten een veel breder frequentiebereik dan de huidige kwantumsensoren kunnen detecteren.

Het nieuwe systeem dat het team bedacht, dat ze een kwantummixer noemen, injecteert een tweede frequentie in de detector met behulp van een bundel microgolven. Dit zet de frequentie van het onderzochte veld om in een andere frequentie - het verschil tussen de oorspronkelijke frequentie en die van het toegevoegde signaal - die is afgestemd op de specifieke frequentie waarvoor de detector het meest gevoelig is. Dit eenvoudige proces stelt de detector in staat om op elke gewenste frequentie in te loggen, zonder verlies van de ruimtelijke resolutie van de sensor op nanoschaal.

In hun experimenten gebruikte het team een ​​specifiek apparaat op basis van een reeks stikstof-leegstandcentra in diamant, een veelgebruikt kwantumdetectiesysteem, en toonde met succes de detectie van een signaal met een frequentie van 150 megahertz, met behulp van een qubit-detector met een frequentie van 2,2 gigahertz - een detectie die onmogelijk zou zijn zonder de kwantummultiplexer. Vervolgens deden ze gedetailleerde analyses van het proces door een theoretisch kader af te leiden, gebaseerd op de Floquet-theorie, en de numerieke voorspellingen van die theorie te testen in een reeks experimenten.

Terwijl hun tests dit specifieke systeem gebruikten, zegt Wang, "kan hetzelfde principe ook worden toegepast op alle soorten sensoren of kwantumapparaten." Het systeem zou op zichzelf staan, met de detector en de bron van de tweede frequentie allemaal verpakt in een enkel apparaat.

Wang zegt dat dit systeem bijvoorbeeld kan worden gebruikt om de prestaties van een microgolfantenne in detail te karakteriseren. "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. + Verder verkennen

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

This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.