Jennifer Choy stellt Antennen in Atomgröße her. Sie haben keine Ähnlichkeit mit der Teleskopstange, die Pop-Hits durch eine tragbare Stereoanlage überträgt. Aber funktionell sind sie ähnlich. Sie sind Quantensensoren, die winzige elektromagnetische Signale aufnehmen und sie auf eine Weise weiterleiten, die wir messen können.
Wie winzig ein Signal? Ein Quantensensor könnte Temperaturänderungen in einer einzelnen Zelle menschlichen Gewebes oder sogar Magnetfelder erkennen, die ihren Ursprung im Erdkern haben.
Jennifer Choy, Wissenschaftlerin an der University of Wisconsin-Madison, entwickelt Technologien, die zu ultrapräzisen Beschleunigungsmessern und Magnetometern für die Navigation und zur Untersuchung kleinster Änderungen in den elektromagnetischen Feldern eines Materials führen könnten.
„Sie können sich diese Quantensensoren als eine Sonde im atomaren Maßstab vorstellen, die es Ihnen ermöglicht, empfindlich auf wirklich lokalisierte Änderungen in Magnetfeldern zu reagieren und diese zu messen“, sagte Choy. „Und Sie können Ihre Messungen erweitern, um makroskopische magnetische Merkmale und andere physikalische Parameter wie mechanische Spannung und Temperatur zu untersuchen.“
Diese Sensoren nutzen die Quantennatur von Atomen – die sich nur in den kleinsten Maßstäben der Natur offenbart – und ihre Empfindlichkeit gegenüber äußeren Störungen und weisen eine außergewöhnliche Genauigkeit und Präzision auf, wodurch ihre traditionellen Gegenstücke im Vergleich dazu wie stumpfe Instrumente aussehen.
Für Choy besteht die Herausforderung darin, die Effizienz zu steigern, mit der diese unsichtbaren Instrumente Informationen übermitteln. Die Forschung besteht zu gleichen Teilen aus Entdeckung der Physik und Technik, sagt sie.
„Ich finde die Arbeit spannend, weil sie gut zu der Art von Sammelsurium passt, die ich hatte“, sagte Choy, der Mitglied von Q-NEXT ist, einem National Quantum Information Science Research Center des US-Energieministeriums (DOE). vom Argonne National Laboratory des DOE und dem Quantum Leap Challenge Institute for Hybrid Quantum Architectures and Networks oder HQAN der National Science Foundation. „Ich bin ausgebildeter angewandter Physiker, und ich kategorisiere mich nicht als reinen Physiker oder Ingenieur.
Licht und Materie
Choy arbeitet an Quantensensoren, bei denen Elektronen in Quantenmaterialien als Antenne fungieren. Die Informationen, die sie aufnehmen, können durch ihre Wechselwirkungen mit Photonen gelesen werden, den masselosen Teilchen, die elektromagnetische Informationen tragen.
Je fester der Handschlag zwischen Elektron und Photon, desto klarer die Übertragung.
Wenn das Elektron ein bestimmtes Signal empfängt, absorbiert es die Energie des Photons. Schump! Das energetisierte Elektron schießt zu einer höheren Sprosse auf der Leiter der Atomenergie. Wenn es an der Zeit ist, die Energie abzubauen, fällt das Elektron von dieser oberen Sprosse auf den Boden – pups! – und die aufgestaute Energie wird als Photon einer bestimmten Farbe freigesetzt.
Die Wissenschaftler lesen das Licht und messen seine Eigenschaften wie Intensität und Wellenlänge, um das ursprüngliche Signal zu interpretieren.
Farbzentren
Als Mitglied von Q-NEXT entwickelt Choy Sensoren, die die Form von atomgroßen Löchern in einem Diamanten haben, die durch die Entfernung einzelner Kohlenstoffatome entstehen. Die Leerstelle und ein benachbartes Atom fangen zusammen ein Elektronenpaar – die atomare Antenne – von benachbarten Atomen ein.
Die vom Elektron aufgenommene Energie verleiht dem Material einen bestimmten Farbton, weshalb diese Leerstellen-basierten Sensoren oft als Farbzentren bezeichnet werden.
Die Energien der eingefangenen Elektronen reagieren besonders empfindlich auf Änderungen des Magnetfelds, der Temperatur und der Dehnung in der Nähe. Ihre Empfindlichkeit macht sie jedoch auch anfällig für andere Umweltfaktoren, die die Messleistung beeinträchtigen können. Aus diesem Grund ist die Entwicklung von Farbzentren ein heikler Balanceakt: einerseits sicherzustellen, dass die Elektronen stark auf das Erfassungsziel reagieren, und andererseits ihre Reaktionen auf unerwünschtes Hintergrundrauschen zu minimieren.
Choy untersucht Materialwachstumsprozesse und Charakterisierungstechniken, um die bestmögliche Leistung von Farbzentren zu erzielen.
Sie entwickelt auch Strukturen, die Photonen effizient in und aus diesen Farbzentren leiten könnten, wodurch die Fähigkeit des Sensors verbessert wird, sowohl Signale zu sammeln als auch Licht zu emittieren. Je mehr und je schneller das Elektron die Photonen aufnehmen und abgeben kann, desto stärker ist das Signal.
So wie ein klares Video ohne Verzögerung für ein glücklicheres Zoom-Erlebnis sorgt, sorgt eine klare Signalübertragung ohne Verzögerung für einen nützlicheren Quantensensor.
Die verschiedenen photonischen Strukturen, die in Diamanten realisiert werden können, klingen wie ausgeklügelte Bastelspielzeuge im Atommaßstab: Nanodrähte; winzige metallische Resonatoren, die in der Nähe der Leerstelle angebracht sind; eine Schicht aus speziell entwickeltem Silizium, die auf Diamant aufgebracht wird.
Jedes dieser architektonischen Wunderwerke zielt darauf ab, den Elektron-Photon-Handshake zu erleichtern.
„Die Verwendung von Farbzentren für die Sensorik hat sich in den letzten zehn Jahren auf so unterschiedliche Richtungen wie Biosensorik, Studien der kondensierten Materie und Detektion dunkler Materie ausgeweitet, und es ist immer noch ein Gebiet, das sowohl an Grundlagenforschung als auch an angewandter Forschung reich ist“, sagte Choy.
Ein Quantenensemble
Als Mitglied des HHAN entwickelt Choy eine andere Klasse von Quantengeräten, die als Quantenmetamaterial bezeichnet werden.
Quantenmetamaterialien beruhen auf einem Ensemble dicht gepackter, Photonen emittierender Atome. Diese Quantenemitter können neutrale Atome, geladene Atome oder Systeme wie Farbzentren sein.
Sie zeigen ein kollektives Verhalten, wenn sie mit einem gemeinsamen Lichtmodus interagieren. Choy und ihre Mitarbeiter arbeiten daran, die Farbzentren der Metamaterialien genau zu positionieren und ihre Eigenschaften so anzupassen, dass benachbarte Emitter nicht mehr voneinander zu unterscheiden sind und sich wie eine Einheit verhalten.
„Die Emitter verhalten sich kollektiv. Dadurch können wir die Geschwindigkeit steuern, mit der sie Photonen ausstrahlen – mit weit mehr Kontrolle als wenn sie isoliert sind“, sagte Choy. „Es gibt keine individuellen Features mehr.“
Wenn Photonen emittierende Atome zusammenarbeiten, könnte ein Quantensensor ein stärkeres, verstärktes, einheitliches Signal senden – eines, das auf ein einzelnes, einfallendes Photon reagiert.
„Wir interessieren uns für Quantenmetamaterialien als eine Möglichkeit, die Licht-Materie-Wechselwirkung mit Quantensystemen stark zu verbessern und zu kontrollieren“, sagte Choy. „Dies kann die Fähigkeit ermöglichen, eine kollektive optische Reaktion auf der Grundlage eines Quantenzustands zu entwickeln und den Interaktionsbereich zwischen Quantensystemen zu erweitern.“
Anwendungen in Quanten verfolgen
Choys Interesse an der Quantensensorik begann, als sie Doktorandin in Harvard war, wo sie einen Master- und Doktortitel in angewandter Physik erwarb. Sie arbeitete in Marko Loncars Labor und entwickelte diamantbasierte photonische Geräte.
„Nach der Graduiertenschule wurde mir klar, dass ich praktische Arbeit wirklich genieße und mehr davon machen wollte. Aber ich wollte auch besser verstehen, wie die Forschung, die ich mache, praktische Anwendungen fördern kann“, sagte sie.
Also ging sie 2013 zu Draper Lab, einer gemeinnützigen Organisation in Cambridge, Massachusetts. Dort erforschte sie die Quantensensorik, um Präzisionsbeschleunigungsmesser, Gyroskope und Atomuhren zu entwickeln.
„Die Atomuhr, die als Grundlage für die Definition der Sekunde dient und von Satelliten in der GPS-Konstellation verwendet wird, ist ein Beispiel dafür, wie eine Quantentechnologie unser Leben vollständig verändert hat“, sagte sie. „Jetzt wollen wir andere transformative Anwendungen von Quantensensoren erforschen, von denen einige technische Lösungen erfordern, um ihre beste Leistung außerhalb des Labors aufrechtzuerhalten.“
Im Jahr 2019 trat Choy der Fakultät der University of Wisconsin-Madison bei, wo sie die Leistung von Quantensensoren weiter vorantreibt und die Quantenausbildung und die Entwicklung von Arbeitskräften fördert.
„Quantenwissenschaft und -technik ist ein Bereich, der das grundlegende Verständnis fördern und grundlegende Technologien für viele Disziplinen in Wissenschaft und Technik schaffen kann. Es ist großartig, um der nächsten Generation von Wissenschaftlern und Ingenieuren eine abgerundete und multidisziplinäre Ausbildung zu bieten“, sagte sie. „Quantenfähige Geräte haben sowohl kurzfristige Anwendungen als auch längerfristige Aussichten. Das gesamte Spektrum von sowohl kurzfristigen, sehr greifbaren Fortschritten als auch wirkungsvollen, langfristigen Visionen ist aufregend.“