Kvantesensor kan registrere elektromagnetiske signaler af enhver frekvens

Kvantesensorer, som registrerer de mindste variationer i magnetiske eller elektriske felter, har muliggjort præcisionsmålinger inden for materialevidenskab og grundlæggende fysik. Men disse sensorer har kun været i stand til at detektere nogle få specifikke frekvenser af disse felter, hvilket begrænser deres anvendelighed. Nu har forskere ved MIT udviklet en metode til at sætte sådanne sensorer i stand til at detektere enhver vilkårlig frekvens uden tab af deres evne til at måle funktioner på nanometerskala.

Den nye metode, som teamet allerede har ansøgt om patentbeskyttelse for, er beskrevet i tidsskriftet Physical Review X , i et papir af kandidatstuderende Guoqing Wang, professor i nuklear videnskab og teknik og i fysik Paola Cappellaro, og fire andre ved MIT og Lincoln Laboratory.

Kvantesensorer kan antage mange former; de er i bund og grund systemer, hvor nogle partikler er i en så delikat balanceret tilstand, at de påvirkes af selv små variationer i de felter, de udsættes for. Disse kan tage form af neutrale atomer, fangede ioner og solid-state spins, og forskning ved hjælp af sådanne sensorer er vokset hurtigt. For eksempel bruger fysikere dem til at undersøge eksotiske tilstande af stof, herunder såkaldte tidskrystaller og topologiske faser, mens andre forskere bruger dem til at karakterisere praktiske enheder såsom eksperimentel kvantehukommelse eller beregningsudstyr. Men mange andre fænomener af interesse spænder over et meget bredere frekvensområde, end nutidens kvantesensorer kan registrere.

Det nye system, som teamet udtænkte, som de kalder en kvantemixer, injicerer en anden frekvens i detektoren ved hjælp af en stråle af mikrobølger. Dette konverterer frekvensen af ​​det felt, der studeres, til en anden frekvens - forskellen mellem den oprindelige frekvens og den for det tilføjede signal - som er indstillet til den specifikke frekvens, som detektoren er mest følsom over for. Denne enkle proces gør det muligt for detektoren at være hjemme på enhver ønsket frekvens overhovedet, uden tab af sensorens rumlige opløsning i nanoskala.

I deres eksperimenter brugte holdet en specifik enhed baseret på en række nitrogen-fritidscentre i diamant, et meget brugt kvantesensorsystem, og demonstrerede med succes detektion af et signal med en frekvens på 150 megahertz ved hjælp af en qubit-detektor med en frekvens på 2,2 gigahertz - en detektion, der ville være umulig uden kvantemultiplekseren. De lavede derefter detaljerede analyser af processen ved at udlede en teoretisk ramme, baseret på Floquet-teori, og teste de numeriske forudsigelser af denne teori i en række eksperimenter.

Mens deres test brugte dette specifikke system, siger Wang, "det samme princip kan også anvendes på enhver form for sensorer eller kvanteenheder." Systemet ville være selvstændigt, med detektoren og kilden til den anden frekvens samlet i en enkelt enhed.

Wang siger, at dette system for eksempel kunne bruges til at karakterisere ydeevnen af ​​en mikrobølgeantenne i detaljer. "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. + Udforsk yderligere

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.