Nanophotonic quantum magnetometry in a spin-dense diamond cavity

Imagina un mundo donde podamos ver los susurros magnéticos invisibles de una sola célula, o mapear las diminutas corrientes eléctricas que fluyen a través de una neurona, todo ello sin tocar al sujeto. Esta es la promesa de la detección cuántica, un campo que utiliza las reglas extrañas y frágiles del mundo cuántico para construir detectores mucho más sensibles que cualquier cosa que tengamos hoy en día. En el corazón de esta revolución se encuentran diminutos defectos en el diamante, conocidos como centros de nitrógeno-vacante. Piensa en ellos como piezas faltantes en la red atómica de un diamante que han atrapado un electrón adicional, convirtiendo ese punto en un magnetómetro microscópico que puede sentir campos magnéticos con una precisión increíble. Estos sensores funcionan incluso a temperatura ambiente, una hazaña rara para los dispositivos cuánticos, y pueden hacerse tan pequeños que teóricamente podrían medir el campo magnético de una sola molécula. Sin embargo, un problema de larga data los ha frenado: para obtener una señal lo suficientemente fuerte como para medir, los científicos suelen necesitar observar un gran grupo de estos defectos, pero observar un grupo grande emborrona la imagen, haciendo imposible ver los detalles finos. Por el contrario, observar un solo defecto ofrece una imagen nítida pero una señal muy débil.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Calgary ha encontrado una forma de romper este compromiso. Han construido un nuevo tipo de sensor que combina la nitidez de un sensor diminuto con la fuerza de un grupo grande. Tomaron una oblea de diamante repleta de una alta densidad de estos centros de nitrógeno-vacante y la tallaron en un disco microscópico, no más ancho que un cabello humano. Este disco actúa como una galería de susurros para la luz, atrapando fotones en un círculo para que reboten muchas veces antes de escapar. Al acercar una fibra óptica delgada y cónica al borde de este disco, pudieron hacer brillar la luz en él y recolectar la luz que sale sin utilizar lentes o espejos voluminosos. Esta configuración les permitió excitar miles de los defectos de diamante a la vez manteniendo el área de detección increíblemente pequeña. El resultado es un dispositivo que es tanto altamente sensible como capaz de ver detalles a la escala de micrómetros, todo ello impulsado por una cantidad minúscula de luz láser y conectado al mundo exterior por una sola fibra.

Los investigadores probaron esta nueva plataforma midiendo campos magnéticos con una técnica llamada magnetometría Ramsey, que implica el uso de pulsos precisos de luz y microondas para leer el estado de los electrones del diamante. Descubrieron que su dispositivo podía detectar campos magnéticos con una sensibilidad de 58 nanoteslas por raíz cuadrada de hercio. Esta es la medición más sensible jamás reportada para un magnetómetro construido sobre un chip utilizando técnicas de nanofabricación. Para poner esto en perspectiva, aunque aún no es lo suficientemente sensible como para detectar los susurros magnéticos más tenues de un solo átomo, es un salto masivo para un dispositivo que es tan pequeño e integrado. El equipo demostró que el dispositivo está limitado únicamente por el ruido fundamental de las propias partículas de luz, lo que significa que está funcionando tan bien como la física le permite con el diseño actual. También demostraron que los defectos de diamante dentro del diminuto disco pueden mantener su estado cuántico durante un tiempo sorprendentemente largo, incluso después del duro proceso de tallado del disco, lo que sugiere que el dispositivo es lo suficientemente robusto para el uso en el mundo real.

Lo que hace que este logro sea particularmente significativo es cómo resuelve el problema de escalar. Los intentos previos de hacer estos sensores pequeños a menudo requerían equipos ópticos complejos y autónomos que eran difíciles de usar o integrar en otros sistemas. Este nuevo diseño, que utiliza una fibra para comunicarse con el sensor, abre la puerta a la creación de matrices de estos dispositivos en un solo chip. Imagina un futuro donde un microchip cubierto con cientos de estos sensores pueda mapear los campos magnéticos de una muestra biológica que fluye a través de un canal diminuto, o donde un dispositivo compacto pueda imaginar los patrones magnéticos en un chip de computadora con un detalle sin precedres. Los investigadores señalaron que el dispositivo es mecánicamente fuerte y puede sobrevivir al lavarse con líquidos, lo que lo hace adecuado para estudiar células vivas o fluidos. Si bien la versión actual todavía tiene margen de mejora en cuanto a la eficiencia con la que recolecta la luz, el camino a seguir está claro. Al refinar la forma en que la luz se acopla al diamante y al utilizar materiales de diamante aún más puros, la sensibilidad podría mejorar potencialmente otras cien veces, acercándonos a la capacidad de realizar espectroscopia de resonancia magnética nuclear en muestras más pequeñas que una gota de agua.

El trabajo también reveló que el proceso de fabricación de estos diminutos discos no dañó los delicados atributos cuánticos del diamante tanto como se temía. Al medir cuánto duraban los estados cuánticos, el equipo confirmó que el proceso de fabricación introdujo muy poca tensión en el material. Esto es crucial porque la tensión puede arruinar la capacidad del sensor para medir con precisión. Encontraron que los defectos dentro del disco se comportaban casi exactamente como lo harían en una pieza grande y sin tallar de diamante, demostrando que las técnicas de nanofabricación son compatibles con la detección cuántica de alta precisión. El equipo utilizó una técnica de amplificación de bloqueo para filtrar el ruido de fondo, lo que permitió extraer una señal clara incluso en un entorno ruidoso. Este método, combinado con la capacidad de usar un láser de baja potencia, significa que el sensor puede operar sin calentarse ni dañar las delicadas muestras que pretende estudiar.

Mirando hacia el futuro, los investigadores ven un futuro donde estos sensores no sean solo curiosidades de laboratorio sino herramientas prácticas para la biología y la ciencia de materiales. Debido a que el sensor es tan pequeño y puede colocarse muy cerca de una muestra, podría usarse para medir los campos magnéticos generados por el tejido cardíaco o nervioso con una resolución que actualmente es imposible. La capacidad de integrar estos sensores con otros componentes fotónicos en un chip significa que podrían producirse en masa y utilizarse en dispositivos portátiles. El artículo concluye que esta plataforma representa un paso importante hacia la detección cuántica de próxima generación, ofreciendo una combinación de tamaño, sensibilidad y potencial de integración que no se ha visto antes. Al demostrar que un cavidad de diamante acoplada por fibra y en un chip puede lograr tal alta sensibilidad, el equipo ha proporcionado un plano para una nueva clase de instrumentos que podrían transformar la forma en que observamos el mundo magnético que nos rodea.