Quantensensor kann elektromagnetische Signale jeder Frequenz erkennen

Quantensensoren, die kleinste Schwankungen magnetischer oder elektrischer Felder erfassen, haben Präzisionsmessungen in den Materialwissenschaften und der Grundlagenphysik ermöglicht. Diese Sensoren waren jedoch nur in der Lage, einige wenige spezifische Frequenzen dieser Felder zu erfassen, was ihre Nützlichkeit einschränkte. Jetzt haben Forscher am MIT eine Methode entwickelt, die es solchen Sensoren ermöglicht, jede beliebige Frequenz zu erkennen, ohne ihre Fähigkeit zur Messung von Merkmalen im Nanometerbereich zu verlieren.

Das neue Verfahren, für das das Team bereits Patentschutz beantragt hat, wird in der Zeitschrift beschrieben Körperliche Überprüfung Xin einer Arbeit des Doktoranden Guoqing Wang, der Professorin für Nuklearwissenschaft und -technik und der Physik Paola Cappellaro und vier anderen am MIT und am Lincoln Laboratory.

Quantensensoren können viele Formen annehmen; Sie sind im Wesentlichen Systeme, in denen sich einige Partikel in einem so fein ausbalancierten Zustand befinden, dass sie selbst von winzigen Schwankungen in den Feldern, denen sie ausgesetzt sind, beeinflusst werden. Diese können die Form von neutralen Atomen, gefangenen Ionen und Festkörperspins annehmen, und die Forschung mit solchen Sensoren hat schnell zugenommen. Beispielsweise verwenden Physiker sie, um exotische Materiezustände zu untersuchen, einschließlich sogenannter Zeitkristalle und topologischer Phasen, während andere Forscher sie verwenden, um praktische Geräte wie experimentelle Quantenspeicher oder Computergeräte zu charakterisieren. Aber viele andere interessante Phänomene umfassen einen viel breiteren Frequenzbereich, als die heutigen Quantensensoren erkennen können.

Das neue System, das das Team entwickelt hat und das sie Quantenmischer nennen, injiziert mithilfe eines Mikrowellenstrahls eine zweite Frequenz in den Detektor. Dadurch wird die Frequenz des untersuchten Felds in eine andere Frequenz umgewandelt – die Differenz zwischen der ursprünglichen Frequenz und der des hinzugefügten Signals –, die auf die spezifische Frequenz abgestimmt ist, für die der Detektor am empfindlichsten ist. Dieser einfache Prozess ermöglicht es dem Detektor, sich auf jede gewünschte Frequenz einzupendeln, ohne dass die räumliche Auflösung des Sensors im Nanobereich verloren geht.

In ihren Experimenten verwendete das Team ein spezifisches Gerät, das auf einer Anordnung von Stickstoffleerstellen in Diamant, einem weit verbreiteten Quantensensorsystem, basiert, und demonstrierte erfolgreich die Erkennung eines Signals mit einer Frequenz von 150 Megahertz unter Verwendung eines Qubit-Detektors mit einer Frequenz von 2,2 Gigahertz – eine Detektion, die ohne den Quantenmultiplexer nicht möglich wäre. Anschließend führten sie detaillierte Analysen des Prozesses durch, indem sie auf der Grundlage der Floquet-Theorie einen theoretischen Rahmen herleiteten und die numerischen Vorhersagen dieser Theorie in einer Reihe von Experimenten testeten.

Während ihre Tests dieses spezifische System verwendeten, sagt Wang, „dasselbe Prinzip kann auch auf jede Art von Sensoren oder Quantengeräten angewendet werden.“ Das System wäre in sich abgeschlossen, wobei der Detektor und die Quelle der zweiten Frequenz alle in einem einzigen Gerät untergebracht wären.

Wang sagt, dass dieses System zum Beispiel verwendet werden könnte, um die Leistung einer Mikrowellenantenne im Detail zu charakterisieren. „Es kann die Verteilung des Feldes charakterisieren [generated by the antenna] mit nanoskaliger Auflösung, also ist es in dieser Richtung sehr vielversprechend“, sagt er.

Es gibt andere Möglichkeiten, die Frequenzempfindlichkeit einiger Quantensensoren zu ändern, aber diese erfordern die Verwendung großer Geräte und starker Magnetfelder, die die feinen Details verwischen und es unmöglich machen, die sehr hohe Auflösung zu erreichen, die das neue System bietet. In solchen Systemen heute, sagt Wang, „müssen Sie ein starkes Magnetfeld verwenden, um den Sensor abzustimmen, aber dieses Magnetfeld kann möglicherweise die Eigenschaften des Quantenmaterials beeinträchtigen, was die Phänomene beeinflussen kann, die Sie messen möchten.“

Das System könnte laut Cappellaro neue Anwendungen in biomedizinischen Bereichen eröffnen, da es eine Reihe von Frequenzen elektrischer oder magnetischer Aktivität auf der Ebene einer einzelnen Zelle zugänglich machen kann. Es wäre sehr schwierig, mit aktuellen Quantensensorsystemen eine brauchbare Auflösung solcher Signale zu erhalten, sagt sie. Es kann möglich sein, dieses System zu verwenden, um beispielsweise Ausgangssignale von einem einzelnen Neuron als Reaktion auf einen Stimulus zu erfassen, die typischerweise viel Rauschen enthalten, was es schwierig macht, solche Signale zu isolieren.

Das System könnte auch verwendet werden, um das Verhalten exotischer Materialien wie 2D-Materialien, die intensiv auf ihre elektromagnetischen, optischen und physikalischen Eigenschaften untersucht werden, im Detail zu charakterisieren.

In der laufenden Arbeit untersucht das Team die Möglichkeit, Wege zu finden, das System zu erweitern, um in der Lage zu sein, einen Bereich von Frequenzen gleichzeitig zu untersuchen, anstatt das Ziel des derzeitigen Systems auf eine einzelne Frequenz auszurichten. Sie werden auch weiterhin die Fähigkeiten des Systems definieren, indem sie leistungsfähigere Quantensensorgeräte im Lincoln Laboratory verwenden, wo einige Mitglieder des Forschungsteams ihren Sitz haben.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website, die Neuigkeiten über MIT-Forschung, -Innovation und -Lehre enthält.