Nanophotonic quantum magnetometry in a spin-dense diamond cavity

Immaginate un mondo in cui possiamo vedere gli invisibili sussurri magnetici di una singola cella, o mappare le minuscole correnti elettriche che scorrono attraverso un neurone, il tutto senza toccare il soggetto. Questa è la promessa del sensing quantistico, un campo che utilizza le regole strane e fragili del mondo quantistico per costruire rilevatori molto più sensibili di qualsiasi cosa abbiamo oggi. Al cuore di questa rivoluzione ci sono minuscoli difetti nel diamante, noti come centri azoto-vacanza. Pensateli come pezzi mancanti nella griglia atomica di un diamante che hanno intrappolato un elettrone extra, trasformando quel punto in un magnetometro microscopico capace di percepire i campi magnetici con un'incredibile precisione. Questi sensori funzionano anche a temperatura ambiente, un traguardo raro per i dispositivi quantistici, e possono essere resi così piccoli da poter teoricamente misurare il campo magnetico di una singola molecola. Tuttavia, un problema di lunga data li ha frenati: per ottenere un segnale abbastanza forte da poter essere misurato, gli scienziati di solito devono osservare un grande gruppo di questi difetti, ma osservare un grande gruppo sfoca l'immagine, rendendo impossibile vedere i dettagli fini. Al contrario, osservare un solo difetto fornisce un'immagine nitida ma un segnale molto debole.

Un team di ricercatori dell'Università di Calgary ha trovato un modo per rompere questo compromesso. Hanno costruito un nuovo tipo di sensore che combina la nitidezza di un sensore minuscolo con la forza di un grande gruppo. Hanno preso un chip di diamante denso di centri azoto-vacanza e lo hanno scolpito in un disco microscopico, largo non più di un capello umano. Questo disco agisce come una galleria sussurrante per la luce, intrappolando i fotoni in un cerchio in modo che rimbalzino molte volte prima di uscire. Avvicinando una sottile fibra ottica rastremata al bordo di questo disco, sono stati in grado di far passare la luce al suo interno e raccogliere la luce in uscita senza utilizzare lenti o specchi ingombranti. Questa configurazione ha permesso loro di eccitare migliaia di difetti di diamante contemporaneamente pur mantenendo l'area di rilevamento incredibilmente piccola. Il risultato è un dispositivo che è sia altamente sensibile sia capace di vedere dettagli su scala micrometrica, il tutto alimentato da una minuscola quantità di luce laser e connesso al mondo esterno da una singola fibra.

I ricercatori hanno testato questa nuova piattaforma misurando i campi magnetici con una tecnica chiamata magnetometria Ramsey, che prevede l'uso di impulsi precisi di luce e microonde per leggere lo stato degli elettroni del diamante. Hanno scoperto che il loro dispositivo poteva rilevare campi magnetici con una sensibilità di 58 nanotesla per radice quadrata di hertz. Questa è la misurazione più sensibile mai riportata per un magnetometro costruito su un chip utilizzando tecniche di nanofabbricazione. Per mettere questo in prospettiva, sebbene non sia ancora abbastanza sensibile da rilevare i sussurri magnetici più deboli di un singolo atomo, rappresenta un enorme passo avanti per un dispositivo così piccolo e integrato. Il team ha dimostrato che il dispositivo è limitato solo dal rumore fondamentale delle particelle di luce stesse, il che significa che sta operando al meglio consentito dalla fisica con l'attuale design. Hanno anche dimostrato che i difetti del diamante all'interno del minuscolo disco possono mantenere il loro stato quantistico per un tempo sorprendentemente lungo, anche dopo il duro processo di scultura del disco, il che suggerisce che il dispositivo sia abbastanza robusto per un uso nel mondo reale.

Ciò che rende questo traguardo particolarmente significativo è il modo in cui risolve il problema della scalabilità. I precedenti tentativi di rendere piccoli questi sensori richiedevano spesso apparecchiature ottiche complesse e autoportanti, difficili da usare o integrare in altri sistemi. Questo nuovo design, che utilizza una fibra per comunicare con il sensore, apre la porta alla creazione di array di questi dispositivi su un singolo chip. Immaginate un futuro in cui un microchip coperto da centinaia di questi sensori potrebbe mappare i campi magnetici di un campione biologico che scorre attraverso un minuscolo canale, o dove un dispositivo compatto potrebbe mappare i pattern magnetici su un chip per computer con un dettaglio senza precedenti. I ricercatori hanno notato che il dispositivo è meccanicamente resistente e può sopravvivere al lavaggio con liquidi, il che lo rende adatto allo studio di cellule viventi o fluidi. Sebbene l'attuale versione abbia ancora margini di miglioramento nella raccolta della luce, la strada da seguire è chiara. Perfezionando il modo in cui la luce viene accoppiata nel diamante e utilizzando materiali di diamante ancora più puri, la sensibilità potrebbe potenzialmente migliorare di altri cento volte, avvicinandoci alla capacità di eseguire la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare su campioni più piccoli di una goccia d'acqua.

Il lavoro ha anche rivelato che il processo di creazione di questi minuscoli dischi non ha danneggiato le delicate proprietà quantistiche del diamante quanto temuto. Misurando quanto a lungo durassero gli stati quantistici, il team ha confermato che il processo di fabbricazione ha introdotto pochissima tensione nel materiale. Questo è cruciale perché la tensione può rovinare la capacità del sensore di misurare con precisione. Hanno scoperto che i difetti all'interno del disco si comportavano quasi esattamente come farebbero in un pezzo di diamante grande e non tagliato, provando che le tecniche di nanofabbricazione sono compatibili con il sensing quantistico ad alta precisione. Il team ha utilizzato una tecnica di amplificazione lock-in per filtrare il rumore di fondo, permettendo di estrarre un segnale chiaro anche in un ambiente rumoroso. Questo metodo, combinato con la capacità di utilizzare un laser a bassa potenza, significa che il sensore può operare senza riscaldare o danneggiare i delicati campioni che deve studiare.

Guardando al futuro, i ricercatori vedono un domani in cui questi sensori non saranno solo curiosità da laboratorio ma strumenti pratici per la biologia e la scienza dei materiali. Poiché il sensore è così piccolo e può essere posizionato molto vicino a un campione, potrebbe essere utilizzato per misurare i campi magnetici generati dal cuore o dal tessuto nervoso con una risoluzione che è attualmente impossibile. La capacità di integrare questi sensori con altri componenti fotonici su un chip significa che potrebbero essere prodotti in serie e utilizzati in dispositivi portatili. L'articolo conclude che questa piattaforma rappresenta un passo importante verso il sensing quantistico di prossima generazione, offrendo una combinazione di dimensioni, sensibilità e potenziale di integrazione che non è stata vista prima. Dimostrando che una cavità di diamante accoppiata a fibra e su chip può raggiungere una tale alta sensibilità, il team ha fornito il progetto per una nuova classe di strumenti che potrebbero trasformare il modo in cui osserviamo il mondo magnetico che ci circonda.