MIT-forskare har utvecklat en metod för att göra det möjligt för kvantsensorer att detektera vilken godtycklig frekvens som helst, utan förlust av deras förmåga att mäta funktioner i nanometerskala. Kvantsensorer upptäcker de minsta variationerna i magnetiska eller elektriska fält, men fram till nu har de bara kunnat detektera ett fåtal specifika frekvenser, vilket begränsar deras användbarhet. Kredit:Guoqing Wang
Kvantsensorer, som upptäcker de minsta variationerna i magnetiska eller elektriska fält, har möjliggjort precisionsmätningar inom materialvetenskap och grundläggande fysik. Men dessa sensorer har bara kunnat detektera ett fåtal specifika frekvenser av dessa fält, vilket begränsar deras användbarhet. Nu har forskare vid MIT utvecklat en metod för att göra det möjligt för sådana sensorer att upptäcka vilken godtycklig frekvens som helst, utan förlust av deras förmåga att mäta funktioner i nanometerskala.
Den nya metoden, som teamet redan har ansökt om patentskydd för, beskrivs i tidskriften Physical Review X , i en uppsats av doktoranden Guoqing Wang, professor i kärnvetenskap och teknik och i fysik Paola Cappellaro, och fyra andra vid MIT och Lincoln Laboratory.
Kvantsensorer kan ta många former; de är i huvudsak system där vissa partiklar är i ett så känsligt balanserat tillstånd att de påverkas av till och med små variationer i fälten de utsätts för. Dessa kan ta formen av neutrala atomer, fångade joner och solid-state spins, och forskning som använder sådana sensorer har vuxit snabbt. Till exempel använder fysiker dem för att undersöka exotiska tillstånd av materia, inklusive så kallade tidskristaller och topologiska faser, medan andra forskare använder dem för att karakterisera praktiska enheter som experimentellt kvantminne eller beräkningsenheter. Men många andra fenomen av intresse spänner över ett mycket bredare frekvensområde än vad dagens kvantsensorer kan upptäcka.
Det nya systemet som teamet tagit fram, som de kallar en kvantblandare, injicerar en andra frekvens i detektorn med hjälp av en stråle av mikrovågor. Detta omvandlar frekvensen för det fält som studeras till en annan frekvens - skillnaden mellan den ursprungliga frekvensen och den för den tillagda signalen - som är avstämd till den specifika frekvens som detektorn är mest känslig för. Denna enkla process gör det möjligt för detektorn att komma in på vilken frekvens som helst, utan förlust av sensorns rumsliga upplösning i nanoskala.
I sina experiment använde teamet en specifik enhet baserad på en rad kvävevakanscentra i diamant, ett allmänt använt kvantavkänningssystem, och demonstrerade framgångsrikt detektering av en signal med en frekvens på 150 megahertz, med hjälp av en qubitdetektor med en frekvens på 2,2 gigahertz – en detektion som skulle vara omöjlig utan kvantmultiplexern. De gjorde sedan detaljerade analyser av processen genom att härleda en teoretisk ram, baserad på Floquet-teorin, och testa de numeriska förutsägelserna av den teorin i en serie experiment.
Medan deras tester använde detta specifika system, säger Wang, "samma princip kan också tillämpas på alla typer av sensorer eller kvantenheter." Systemet skulle vara fristående, med detektorn och källan till den andra frekvensen förpackade i en enda enhet.
Wang säger att detta system skulle kunna användas till exempel för att i detalj karakterisera prestandan hos en mikrovågsantenn. "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. + Utforska vidare
This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.
