Un equipo de investigación respaldado por el centro de investigación cuántica Q-NEXT demuestra una nueva forma de usar sensores cuánticos para descubrir relaciones entre campos magnéticos microscópicos.

Digamos que nota una caída repentina en la temperatura tanto en el termómetro de su patio como en el de la cocina. Al principio, cree que se debe a una ola de frío, por lo que aumenta la calefacción de su hogar. Entonces te das cuenta de que, si bien el exterior se ha vuelto más frío, adentro, alguien dejó abierta la puerta del refrigerador.

Inicialmente, pensó que las caídas de temperatura estaban correlacionadas. Más tarde, viste que no lo eran.

Reconocer cuándo las lecturas están correlacionadas es importante no solo para la factura de calefacción de su hogar, sino también para toda la ciencia. Es especialmente desafiante cuando se miden las propiedades de los átomos.

Ahora, los científicos han desarrollado un método, publicado en Science, que les permite ver si los campos magnéticos detectados por un par de sensores cuánticos a escala atómica están correlacionados o no.

« Hasta donde yo sé, esto es algo que la gente no había intentado hacer, y es por eso que vemos estas correlaciones donde nadie más pudo. Realmente ganas con eso ». — Shimon Kolkowitz, Universidad de Wisconsin-Madison

La investigación fue apoyada en parte por Q-NEXT, un Centro Nacional de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica del Departamento de Energía de los EE. UU. (DOE) dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne del DOE.

La capacidad de distinguir entre entornos independientes y correlacionados a escala atómica podría tener un enorme impacto en la medicina, la navegación y la ciencia de los descubrimientos.

Qué pasó

Un equipo de científicos de la Universidad de Princeton y la Universidad de Wisconsin-Madison desarrolló y demostró una nueva técnica para determinar si los campos magnéticos captados por múltiples sensores cuánticos están correlacionados entre sí o son independientes.

El equipo se centró en un tipo de sensor basado en diamantes llamado centro de vacancia de nitrógeno, o centro NV, que consiste en un átomo de nitrógeno junto a un orificio del tamaño de un átomo en el cristal de átomos de carbono que forman el diamante.

Por lo general, los científicos miden la fuerza del campo magnético en un solo centro NV promediando varias lecturas. O pueden tomar una lectura promedio de muchos centros NV a la vez.

Si bien son útiles, los valores promedio solo brindan cierta información. Saber que la temperatura promedio en Wisconsin será de 42 grados Fahrenheit mañana le dice poco acerca de cuánto más frío hará por la noche o en la parte norte del estado.

« Si desea conocer no solo el valor del campo magnético en un lugar o en un momento determinado, sino también si existe una relación entre el campo magnético en un lugar y el campo magnético en otro cercano, en realidad no había una buena manera de hacerlo con estos centros NV », dijo el coautor del artículo Shimon Kolkowitz, profesor asociado de la Universidad de Wisconsin-Madison y colaborador de Q-NEXT.

El nuevo método del equipo utiliza múltiples lecturas simultáneas de dos centros NV. Usando técnicas sofisticadas de computación y procesamiento de señales, obtuvieron información sobre la relación entre los campos magnéticos en ambos puntos y pudieron decir si las dos lecturas provenían de la misma fuente.

« ¿Estaban viendo el mismo campo magnético? ¿Estaban viendo un campo magnético diferente? Eso es lo que podemos obtener de estas mediciones », dijo Kolkowitz. « Es información útil a la que nadie tenía acceso antes. Podemos notar la diferencia entre el campo global que ambos sensores estaban viendo y los que eran locales ».

por qué importa

Los sensores cuánticos aprovechan las propiedades cuánticas de los átomos o sistemas similares a los átomos para captar señales diminutas, como los campos magnéticos que surgen del movimiento de electrones individuales. Estos campos son insignificantes: 100.000 veces más débiles que los de un imán de nevera. Solo las herramientas ultrasensibles, como los sensores cuánticos, pueden realizar mediciones en las escalas más pequeñas de la naturaleza.

Se espera que los sensores cuánticos sean potentes. Los centros NV, por ejemplo, pueden distinguir características separadas por apenas una diezmilésima parte del ancho de un cabello humano. Con ese tipo de capacidad de hiperzoom, los centros NV podrían colocarse en células vivas para observar de cerca cómo funcionan. Los científicos podrían incluso usarlos para identificar las causas de la enfermedad.

« Lo que hace que las NV sean especiales es su resolución espacial », dijo Kolkowitz. « Eso es útil para obtener imágenes de los campos magnéticos de un material exótico o ver la estructura de las proteínas individuales ».

Con el nuevo método del equipo de Kolkowitz para detectar la fuerza del campo magnético en múltiples puntos simultáneamente, los científicos algún día podrían mapear los cambios en el magnetismo a nivel atómico a través del tiempo y el espacio.

Cómo funciona

¿Cómo hizo el equipo estas mediciones informativas? Se volvieron granulares.

En lugar de promediar muchos valores brutos para llegar a la fuerza del campo magnético general, los investigadores realizaron un seguimiento de las lecturas individuales en cada centro NV y luego aplicaron una maniobra matemática llamada « covarianza » a las dos listas.

La comparación de las cifras calculadas por covarianza, que capturan más detalles que un par de promedios sin procesar, les permitió ver si los campos estaban correlacionados.

« Estamos haciendo ese promedio de manera diferente a lo que se ha hecho en el pasado, por lo que no perdemos esta información en el proceso de promediar », dijo Kolkowitz. « Eso es parte de lo que es especial aquí ».

Entonces, ¿por qué no se ha probado antes la magnetometría de covarianza, como se llama el método?

Por un lado, el equipo tuvo que construir una configuración experimental para tomar medidas simultáneas en múltiples centros NV. Este microscopio fue construido por el equipo de Princeton, dirigido por la profesora Nathalie de Leon, miembro del Centro de Codiseño para Quantum Advantage, otro Centro Nacional de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica del DOE, dirigido por el Laboratorio Nacional de Brookhaven.

Sin embargo, cuando se combina con la covarianza para medir campos magnéticos minúsculos y correlacionados, ahorra mucho tiempo.

« Usando el método convencional, tendría que promediar 10 días completos de forma continua para obtener un dato que diga que vio esta señal de nanotesla correlacionada », dijo Kolkowitz. « Mientras que con este nuevo método, son una hora o dos ».

« Hasta donde yo sé, esto es algo que la gente no había intentado hacer, y es por eso que vemos estas correlaciones donde nadie más pudo », dijo Kolkowitz. « Realmente ganas con eso ».

Este trabajo fue apoyado por los Centros Nacionales de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica de la Oficina de Ciencias del DOE como parte del centro Q-NEXT, la Fundación Nacional de Ciencias, la Iniciativa de Catálisis de Princeton, el DOE, la Oficina de Ciencias, la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas, un Beca Postdoctoral de la Iniciativa Quantum y el Programa de Becas de Investigación Postdoctoral de la Comunidad de Inteligencia del Instituto Oak Ridge para la Ciencia y la Educación a través de un acuerdo interinstitucional entre el Departamento de Energía de EE. UU. y la Oficina del Director de Inteligencia Nacional.