Enginering af atomantenner til kvanteregistrering

Jennifer Choy laver antenner i atomstørrelse. De ligner ikke den teleskopiske stang, der transmitterer pophits gennem et bærbart stereoanlæg. Men funktionelt ligner de hinanden. De er kvantesensorer, der opfanger små elektromagnetiske signaler og videresender dem på en måde, vi kan måle.

Hvor lille et signal? En kvantesensor kunne skelne temperaturændringer i en enkelt celle af menneskeligt væv eller endda magnetiske felter, der stammer fra Jordens kerne.

Jennifer Choy, en videnskabsmand ved University of Wisconsin-Madison, udvikler teknologier, der kan føre til ultrapræcise accelerometre og magnetometre til navigation og til at sondere små ændringer i et materiales elektromagnetiske felter.

"Du kan tænke på disse kvantesensorer som en atomskala-sonde, der giver dig mulighed for at være følsom over for og måle virkelig lokale ændringer i magnetiske felter," sagde Choy. "Og du kan udvide dine målinger til at undersøge makroskopiske magnetiske funktioner og andre fysiske parametre som mekanisk belastning og temperatur."

Ved at udnytte atomernes kvantenatur – som kun afslører sig i naturens mindste skalaer – og deres følsomhed over for eksterne forstyrrelser, udviser disse sensorer ekstraordinær nøjagtighed og præcision, hvilket får deres traditionelle modstykker til at ligne stumpe instrumenter til sammenligning.

For Choy er udfordringen at øge effektiviteten, hvormed disse usynlige instrumenter overfører information. Forskningen er lige dele fysikopdagelse og ingeniørkunst, siger hun.

"Jeg finder arbejdet spændende, fordi det passer godt til den slags hodgepodge-træning, som jeg havde," sagde Choy, som er medlem af både Q-NEXT, et amerikansk energiministerium (DOE) National Quantum Information Science Research Center ledet af DOE's Argonne National Laboratory, og National Science Foundation's Quantum Leap Challenge Institute for Hybrid Quantum Architectures and Networks, eller HQAN. "Jeg er en anvendt fysiker af uddannelse, og jeg kategoriserer ikke mig selv som rent fysiker eller ingeniør. Men jeg nyder virkelig det krydsfelt mellem grundlæggende videnskab og ingeniørarbejde."

Lys og stof

Choy arbejder på kvantesensorer, hvor elektroner i kvantematerialer fungerer som antenne. Den information, de opfanger, kan læses gennem deres interaktioner med fotoner, de masseløse partikler, der bærer elektromagnetisk information.

Jo fastere håndtrykket er mellem elektronen og fotonen, jo tydeligere er transmissionen.

Når elektronen modtager et bestemt signal, absorberer den fotonens energi. Shoomp! Den strømførende elektron raketter til et højere trin på atomenergistigen. Når det bliver tid til at sprede energien, falder elektronen fra det øverste trin til jorden – puss! – og den ophobede energi frigives som en foton af en bestemt farve.

Forskerne læser lyset og måler dets egenskaber – såsom intensitet og bølgelængde – for at fortolke det originale signal.

Farvecentre

Som medlem af Q-NEXT udvikler Choy sensorer, der har form af huller på størrelse med atomer i en diamant, der er skabt ved fjernelse af individuelle kulstofatomer. Den ledige plads og et tilstødende atom fanger sammen et par elektroner – atomantennen – fra naboatomer.

Den energi, der absorberes af elektronen, giver materialet en særlig nuance, hvorfor disse tomgangsbaserede sensorer ofte kaldes farvecentre.

Energierne fra de fangede elektroner er særligt følsomme over for nærliggende ændringer i magnetfelt, temperatur og belastning. Men deres følsomhed gør dem også modtagelige over for andre miljøfaktorer, der kan forringe måleydelsen. Det er derfor, at ingeniørfarvecentre er en delikat balancegang:at sikre, at elektronerne reagerer stærkt på sansemålet på den ene side, mens de minimerer deres reaktioner på uønsket baggrundsstøj på den anden side.

Choy undersøger materialevækstprocesser og karakteriseringsteknikker for at få den bedst mulige ydeevne fra farvecentre.

Hun konstruerer også strukturer, der effektivt kan tragte fotoner ind og ud af disse farvecentre, hvilket forbedrer sensorens evne til både at indsamle signaler og udsende lys. Jo mere og jo hurtigere elektronen kan absorbere og udsende fotonerne, jo stærkere er signalet.

Ligesom en klar video uden forsinkelse giver en gladere Zoom-oplevelse, giver en klar signaloverførsel uden forsinkelse en mere nyttig kvantesensor.

De forskellige fotoniske strukturer, der kan realiseres i diamant, lyder som sofistikeret, atom-skala tinkerlegetøj:nanotråde; bittesmå metalliske resonatorer påført nær den ledige stilling; et lag specialdesignet silicium tilføjet oven på diamant.

Hvert af disse arkitektoniske vidundere har til formål at lette elektron-foton-håndtrykket.

"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." + Udforsk yderligere

2D-array af elektron- og nukleare spin-qubits åbner ny grænse inden for kvantevidenskab