I sensori quantistici rilevano i più piccoli cambiamenti ambientali, ad esempio l’interazione di un atomo con un campo magnetico. Poiché questi sensori “leggono” i comportamenti unici delle particelle subatomiche, migliorano notevolmente anche la capacità degli scienziati di misurare e rilevare i cambiamenti nel nostro ambiente più ampio.
Il monitoraggio di questi piccoli cambiamenti porta a un’ampia gamma di applicazioni: dal miglioramento della navigazione e previsione dei disastri naturali, all’imaging medico più intelligente e al rilevamento di biomarcatori di malattie, al rilevamento delle onde gravitazionali e a una comunicazione quantistica ancora migliore per una condivisione sicura dei dati.
I fisici della Georgia Tech stanno sperimentando nuove piattaforme di rilevamento quantistico per aiutare in questi sforzi. L’ultimo studio condotto dal gruppo di ricerca”Rilevamento dell’eccitazione dell’onda di spin da parte di difetti di spin in un nitruro di boro esagonale spesso pochi strati” è stato pubblicato su Science Advances questa settimana.
Include il gruppo di ricerca Scuola di Fisica I professori assistenti Chunhui (Rita) Du e Heilong Wang (autori corrispondenti) insieme ai loro colleghi ricercatori della Georgia Tech Jingsheng Zhou, Mingqi Huang, Faris Al-Maatouq, Jiu Zhang, Dziga Djogba, il professor Zhigang Jiang e i loro collaboratori.
Piattaforma molto sensibile
La nuova ricerca indaga il rilevamento quantistico sfruttando i centri di colore: minuscoli difetti all’interno dei cristalli (il team di Du utilizza diamanti e altri materiali 2D stratificati) che consentono alla luce di essere assorbita ed emessa, conferendo al cristallo anche proprietà elettroniche uniche.
Incorporando questi centri di colore in un materiale chiamato nitruro di boro esagonale (hBN), il team sperava di creare un sensore quantistico estremamente sensibile, una nuova risorsa per lo sviluppo di sensori trasformativi di prossima generazione.
Da parte sua, hBN è particolarmente interessante per il rilevamento e l’informatica quantistica perché può contenere difetti che possono essere manipolati con la luce, noti anche come “qubit di spin otticamente attivi”.
I difetti di spin quantistico nell’hBN sono anche estremamente sensibili dal punto di vista magnetico, consentendo agli scienziati di “vedere” o “sentire” in modo più dettagliato rispetto ad altre tecniche convenzionali. Inoltre, la struttura simile a un foglio di hBN è compatibile con strumenti altamente sensibili come i nanodispositivi, rendendolo una risorsa particolarmente interessante per le indagini.
La ricerca del team ha portato a grandi progressi nel rilevamento delle onde di spin, dice Du, spiegando che “in questo studio siamo stati in grado di rilevare l’eccitazione di spin che non era possibile negli studi precedenti”.
Il rilevamento delle onde di spin è un elemento chiave del rilevamento quantistico, poiché questi fenomeni possono essere trasmessi su lunghe distanze, rendendoli un candidato ideale per il controllo, le comunicazioni e l’elaborazione delle informazioni ad alta efficienza energetica.
Futuro quantistico
“Per la prima volta, abbiamo dimostrato sperimentalmente il rilevamento quantistico di van der Waals bidimensionale utilizzando alcuni strati spessi di hBN in un ambiente reale”, spiega Du, sottolineando il potenziale che il materiale ha per un rilevamento quantistico preciso. “Ulteriori ricerche potrebbero rendere possibile il rilevamento delle proprietà elettromagnetiche a livello atomico utilizzando centri di colore in strati sottili di hBN”.
Do sottolinea inoltre la natura collaborativa della ricerca, evidenziando le diverse competenze e risorse dei ricercatori all’interno della Georgia Tech.
“All’interno della Facoltà di Fisica, il professor Zhigang Jiang Gruppo di ricerca Fornito al team cristalli hBN di alta qualità. afferma Jingsheng Zhou, membro di entrambi i gruppi di ricerca del professor Hailong Wang, che ha eseguito misurazioni di rilevamento quantistico all’avanguardia. Anche molti studenti meravigliosi hanno contribuito a questo progetto.
Du è uno scienziato pioniere nel campo del rilevamento quantistico e ha ricevuto il premio di quest’anno Nuova sovvenzione dal Dipartimento dell’Energia americanoinsieme a Borsa di ricerca Sloan Per il suo lavoro pionieristico nello sviluppo di tecnologie di rilevamento quantistico all’avanguardia per applicazioni IT quantistiche. Il prestigioso Premio Sloan premia i ricercatori la cui “creatività, innovazione e risultati della ricerca li fanno emergere come la prossima generazione di leader in questi campi”.
Questo lavoro è supportato dalla US National Science Foundation (NSF) con il premio n. DMR-2342569, dall’Air Force Office of Scientific Research con il premio n. FA9550-20-1-0319 e dal Young Investigator Program con il premio n. FA9550- 21-1-0125, Office Offshore Research (ONR) con la sovvenzione n. N00014-23-1-2146, NASA-REVEALS SSERVI (N. CAN NNA17BF68A) e NASA-CLEVER SSERVI (N. CAN 80NSSC23M0229).
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