Optimal control for duty-cycle-limited interferometry with single-NV centers

Misurare la temperatura all'interno di una cella vivente senza danneggiarla è una delle sfide più difficili della scienza moderna. Per osservare il calore generato da un singolo mitocondrio o da un minuscolo trattamento oncologico, gli scienziati hanno bisogno di un termometro più piccolo di un virus, ma abbastanza sensibile da rilevare variazioni inferiori a un singolo grado. Per anni, i ricercatori hanno cercato di utilizzare i centri azoto-vacanza — piccoli difetti all'interno dei diamanti che agiscono come bussole su scala atomica — per risolvere questo problema. Questi difetti sono speciali perché il loro stato interno cambia quando percepiscono un campo magnetico e, poiché la temperatura può essere convertita in un campo magnetico, questi difetti possono agire come termometri. Tuttavia, quando gli scienziati hanno cercato di utilizzarli nel ambiente umido e disordinato di una cella, si sono trovati di fronte a un dilemma. Utilizzare molti difetti contemporaneamente crea un segnale sfocato, mentre l'uso di un solo difetto richiede solitamente l'impiego di una luce laser molto intensa, potenzialmente dannosa, per ottenere una lettura chiara.

Un team di ricercatori ha ora trovato un modo per ottenere una lettura più chiara da un singolo difetto di diamante senza necessitare di quella luminosità dannosa. Hanno sviluppato un nuovo metodo per controllare lo stato interno del difetto utilizzando una serie di impulsi a microonde accuratamente temporizzati. Disponendo questi impulsi in un modello specifico, sono stati in grado di estrarre più informazioni sulla temperatura da ogni misurazione rispetto a quanto precedentemente ritenuto possibile. Il loro lavoro suggerisce che cambiando il modo in cui viene eseguita la misurazione, piuttosto che costruire semplicemente un sensore migliore, possono migliorare la precisione di questi termometri su scala nanometrica di circa il venticinque per cento. Questo miglioramento è significativo perché consente letture della temperatura più accurate negli ambienti biologici delicati e fotosensibili, il tutto utilizzando la stessa quantità di luce di prima.

La storia inizia con un dispositivo ingegnoso che trasforma il calore in magnetismo. Immaginate una minuscola goccia di un gel speciale che si gonfia quando si scalda e si restringe quando si raffredda. Attaccato a questo gel c'è un piccolo magnete. Mentre il gel si espande o si contrae, la distanza tra il magnete e un singolo centro azoto-vacanza all'interno di un diamante vicino cambia. Poiché i campi magnetici si indeboliscono molto rapidamente man mano che ci si allontana dalla loro sorgente, anche un minuscolo cambiamento di distanza causa un grande spostamento nel campo magnetico percepito dal difetto del diamante. Questo spostamento agisce come un segnale, dicendo al difetto esattamente quanto sia caldo il gel. Questa configurazione è un traduttore a due stadi: prima, il gel trasforma il calore in movimento, e poi il magnete trasforma quel movimento in un campo magnetico che il difetto del diamante può leggere.

Il problema con questa configurazione, così come è stata utilizzata in passato, è che gli scienziati si affidavano solitamente a una grande collezione di questi difetti di diamante per ottenere un segnale sufficientemente forte. Ma quando si hanno molti difetti ammassati vicino a un magnete, il campo magnetico non è uniforme; varia leggermente da un difetto all'altro. Questa variazione sfoca il segnale, proprio come cercare di ascoltare una singola voce in una stanza affollata e rumorosa. Per risolvere il problema, i ricercatori hanno proposto di utilizzare un solo difetto. Tuttavia, un singolo difetto è molto debole. Per sentirlo chiaramente, è tipicamente necessario illuminarlo con un laser molto luminoso per un lungo periodo. In una cella vivente, tanta luce può "cucinare" la cella o danneggiare il suo DNA, rendendo impossibile la misurazione. Inoltre, il modo standard di ascoltare questi difetti, noto come interrogazione Ramsey, non è molto efficiente quando l'ambiente è rumoroso, il che accade sempre in un contesto biologico liquido.

I ricercatori in questo studio si sono posti una domanda diversa: invece di cercare di rendere il segnale più forte con più luce, si poteva rendere la misurazione più intelligente? Hanno trattato il singolo difetto come un bit di un computer quantistico e hanno progettato una nuova sequenza di impulsi a microonde per controllarlo. Pensate al difetto come a una trottola che ruota. Nel metodo standard, lasciate che la trottola ruoti liberamente per un po' e poi ne controllate la direzione. Nel nuovo metodo, i ricercatori danno alla trottola una serie di tocchi precisi con un campo a microonde. Questi tocchi non si limitano a mantenere la trottola in rotazione; essi ne modellano il percorso nello spazio. L'obiettivo era trovare un modello di tocchi che permettesse alla trottola di raccogliere informazioni sulla temperatura per un tempo più lungo, prima che il rumore naturale dell'ambiente la facesse perdere la strada.

Utilizzando potenti simulazioni al computer, il team ha testato milioni di diversi modelli di impulsi per trovare quello che funzionasse meglio. Hanno scoperto una strategia specifica in cui il difetto viene mantenuto in uno stato stabile e protetto per la maggior parte del tempo di misurazione, passando allo stato sensibile solo alla fine per registrare il risultato. Questo è simile al tenere fermo uno strumento delicato mentre si attende un segnale, e portarlo in posizione solo all'ultimo momento possibile per effettuare la lettura. Questo approccio protegge l'informazione dall'essere cancellata dal rumore dell'ambiente. Le simulazioni hanno dimostrato che questo nuovo metodo può estrarre circa il venticinque o ventisette per cento di informazioni in più da una singola misurazione rispetto al miglior metodo standard.

Questo guadagno non è solo un numero teorico; si traduce direttamente in una migliore prestazione. Poiché il nuovo metodo ottiene più informazioni per ogni scatto, significa che per la stessa quantità di luce consegnata al campione, la temperatura può essere misurata con maggiore precisione. Alternativamente, per ottenere la stessa precisiono di prima, i ricercatori potrebbero usare meno luce, il che è fondamentale per mantenere in vita le cellule. Il miglioramento è più evidente quando il processo di misurazione è lento o quando l'esposizione alla luce deve essere rigorosamente limitata, che sono esattamente le condizioni che si trovano negli esperimenti biologici. Il team ha scoperto che se il tempo trascorso tra le misurazioni è lungo, il vantaggio del loro nuovo metodo cresce, raggiungendo infine un limite in cui è circa il sessanta per cento più efficiente nel raccogliere informazioni rispetto al vecchio modo.

I ricercatori hanno anche esaminato attentamente perché questo nuovo metodo funzioni così bene. Hanno scoperto che la sequenza di impulsi riesce efficacementamente a nascondere il difetto dal rumore che di solito rovina la misurazione. Per la maggior parte del tempo, il difetto è mantenuto in una posizione in cui è immune alla rapida perdita di informazioni che avviene negli ambienti liquidi. È solo alla fine della sequenza che il difetto è permesso di interagire con il segnale di temperatura. Questo meccanismo di "nascondimento" permette alla misurazione di durare più a lungo di quanto sarebbe normalmente possibile, catturando più dettagli prima che il segnale svanisca. Il team ha confermato che non si tratta solo di una questione di tempismo, ma di un cambiamento fondamentale nel modo in cui l'informazione viene elaborata.

Sebbene i risultati siano attualmente basati su simulazioni al computer, la fisica alla base è solida e si basa sugli stessi strumenti già utilizzati dagli sperimentali. Il team non ha inventato nuova hardware; ha semplicemente riorganizzato gli impulsi a microonde esistenti in un modello più efficiente. Ciò significa che il miglioramento potrebbe essere implementato in esperimenti reali senza costruire nuove macchine. Il metodo è robusto, il che significa che funziona anche se l'attrezzatura non è perfettamente calibrata, e non richiede laser aggiuntivi o configurazioni complesse. L'unico requisito è la capacità di controllare la temporizzazione degli impulsi a microonde con alta precisione, il che è uno standard nei moderni laboratori di sensoristica quantistica.

Le implicazioni di questo lavoro vanno oltre la semplice misurazione della temperatura. Lo stesso principio di modellazione della risposta di un sensore quantistico potrebbe essere applicato ad altri tipi di misurazioni, come il rilevamento dei livelli di pH o di enzimi specifici, purché possano essere convertiti in un segnale magnetico. Dimostrando che il controllo ottimale può spremere più valore da un singolo sensore quantistico, i ricercatori hanno aperto la strada verso strumenti più sensibili e meno invasivi per studiare la vita alle scale più piccole. Il lavoro suggerisce che il futuro della sensoristica su scala nanometrica potrebbe non dipendere dalla costruzione di luci più brillanti o di sensori più grandi, ma dal trovare il modo giusto per ascoltare i piccoli segnali che sono già presenti.