Jennifer Choy gör antenner i atomstorlek. De har ingen likhet med teleskopstången som sänder pophits genom en bärbar stereo. Men funktionellt är de lika. De är kvantsensorer som plockar upp små elektromagnetiska signaler och vidarebefordrar dem på ett sätt som vi kan mäta.

Hur liten signal? En kvantsensor kunde urskilja temperaturförändringar i en enda cell av mänsklig vävnad eller till och med magnetiska fält som har sitt ursprung i jordens kärna.

Jennifer Choy, en vetenskapsman vid University of Wisconsin–Madison, utvecklar teknologier som kan leda till ultraprecisa accelerometrar och magnetometrar för navigering och för att undersöka små förändringar i ett materials elektromagnetiska fält.

"Du kan tänka på dessa kvantsensorer som en sond i atomär skala som låter dig vara känslig för och mäta verkligen lokala förändringar i magnetfält," sa Choy. "Och du kan utöka dina mätningar till att sondera makroskopiska magnetiska egenskaper och andra fysiska parametrar som mekanisk belastning och temperatur."

Genom att dra fördel av atomernas kvantnatur – som bara visar sig i naturens minsta skala – och deras känslighet för yttre störningar, uppvisar dessa sensorer enastående noggrannhet och precision, vilket gör att deras traditionella motsvarigheter ser ut som trubbiga instrument i jämförelse.

För Choy är utmaningen att öka effektiviteten med vilken dessa osynliga instrument överför information. Forskningen är lika delar fysik upptäckt och ingenjörskonst, säger hon.

"Jag tycker att arbetet är spännande eftersom det passar bra för den typ av hodgepodge-träning som jag hade", säger Choy, som är medlem i både Q-NEXT, ett av U.S. Department of Energy (DOE) National Quantum Information Science Research Center ledde. av DOE:s Argonne National Laboratory, och National Science Foundations Quantum Leap Challenge Institute for Hybrid Quantum Architectures and Networks, eller HQAN. "Jag är en tillämpad fysiker av utbildning, och jag kategoriserar inte mig själv som enbart fysiker eller ingenjör. Men jag gillar verkligen den där skärningen av grundläggande vetenskap och ingenjörsarbete."

Ljus och materia

Choy arbetar på kvantsensorer där elektroner i kvantmaterial fungerar som antenn. Informationen de plockar upp kan läsas genom deras interaktioner med fotoner, de masslösa partiklarna som bär elektromagnetisk information.

Ju fastare handskakning mellan elektron och foton, desto tydligare är överföringen.

När elektronen tar emot en viss signal absorberar den fotonens energi. Shoppa! Den strömsatta elektronen raketar till en högre steg på atomenergistegen. När det är dags att skingra energin faller elektronen från det övre steget till marken – puss! – och den uppdämda energin frigörs som en foton av en viss färg.

Forskarna läser ljuset och mäter dess egenskaper – som intensitet och våglängd – för att tolka den ursprungliga signalen.

Färgcentraler

Som medlem av Q-NEXT, är Choy ingenjörssensorer som tar formen av atomstora hål i en diamant som skapas genom att enskilda kolatomer avlägsnas. Vakansen och en intilliggande atom fångar tillsammans ett par elektroner – atomantennen – från angränsande atomer.

Energin som absorberas av elektronen ger materialet en speciell nyans, varför dessa vakansbaserade sensorer ofta kallas färgcentra.

Energierna hos de fångade elektronerna är särskilt känsliga för närliggande förändringar i magnetfält, temperatur och spänning. Men deras känslighet gör dem också mottagliga för andra miljöfaktorer som kan försämra mätprestanda. Det är därför som tekniska färgcentra är en delikat balansgång:att se till att elektronerna reagerar starkt på avkänningsmålet å ena sidan samtidigt som de minimerar deras svar på oönskat bakgrundsljud å den andra.

Choy undersöker materialtillväxtprocesser och karaktäriseringstekniker för att få bästa möjliga prestanda från färgcentra.

Hon konstruerar också strukturer som effektivt kan leda fotoner in och ut ur dessa färgcentra, vilket förbättrar sensorns förmåga att både samla in signaler och avge ljus. Ju mer och ju snabbare elektronen kan absorbera och sända ut fotonerna, desto starkare blir signalen.

Precis som en tydlig video med noll fördröjning ger en gladare zoomupplevelse, gör en tydlig signalöverföring utan fördröjning en mer användbar kvantsensor.

De olika fotoniska strukturerna som kan realiseras i diamant låter som sofistikerade, atomskaliga tinkerleksaker:nanotrådar; små metalliska resonatorer applicerade nära den lediga tjänsten; ett lager av specialdesignat kisel läggs ovanpå diamant.

Vart och ett av dessa arkitektoniska underverk syftar till att underlätta elektron-foton-handskakning.

"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." + Utforska vidare

2D-array av elektron- och nukleära spin-qubits öppnar en ny gräns inom kvantvetenskapen