Ingenieros cuánticos han diseñado una nueva herramienta para sondear la naturaleza con extrema sensibilidad

Newswise — En un artículo publicado este fin de semana en la revista Los científicos progresan, Profesor Asociado Jarryd Pla y su equipo de Escuela de Ingeniería Eléctrica y de Telecomunicaciones de la UNSWcon un colega Profesora de Ciencias Andrea Morellodescribe un nuevo dispositivo capaz de medir giros en materiales con alta precisión.

“El espín de un electrón, ya sea que apunte hacia arriba o hacia abajo, es una propiedad fundamental de la naturaleza”, explica A/Prof. Plá. “Se usa en discos duros magnéticos para almacenar información, las máquinas de resonancia magnética usan los giros de las moléculas de agua para crear imágenes del interior de nuestros cuerpos, y los giros incluso se usan para construir computadoras cuánticas.

“Por lo tanto, ser capaz de detectar los giros dentro de los materiales es importante para una amplia gama de aplicaciones, particularmente en química y biología, donde esto se puede usar para comprender la estructura y el propósito de los materiales, lo que nos permite diseñar mejores productos químicos, medicamentos, etc. ”

En campos de investigación como la química, la biología, la física y la medicina, la herramienta utilizada para medir los espines se denomina espectrómetro de resonancia de espín. Normalmente, los espectrómetros producidos comercialmente requieren de miles de millones a billones de giros para obtener una lectura precisa, pero A/Prof. Pla y sus colegas pudieron medir giros de electrones del orden de miles, lo que significa que la nueva herramienta era aproximadamente un millón de veces más sensible.

Esto es toda una hazaña, porque hay toda una gama de sistemas que no se pueden medir con herramientas comerciales, como muestras microscópicas, materiales bidimensionales y células solares de alta calidad, que simplemente tienen muy pocos espines para crear una señal medible.

El avance ocurrió casi por casualidad, ya que el equipo estaba desarrollando un elemento de memoria cuántica para una computadora cuántica superconductora. El propósito del elemento de memoria era transferir información cuántica de un circuito eléctrico superconductor a un conjunto de espines colocados debajo del circuito.

“Nos dimos cuenta de que, aunque el dispositivo no funcionaba como se esperaba como elemento de memoria, era extremadamente bueno para medir el conjunto de giros”, dice Wyatt Vine, uno de los autores principales del estudio. “Descubrimos que al enviar energía de microondas al dispositivo cuando los giros emitían sus señales, podíamos amplificar las señales antes de que salieran del dispositivo. Además, esta amplificación se podía lograr con muy poco ruido agregado, casi alcanzando el límite establecido por la tecnología cuántica”. mecánica.

Si bien en el pasado se habían desarrollado otros espectrómetros altamente sensibles que usaban circuitos superconductores, requerían múltiples componentes, eran incompatibles con los campos magnéticos y tenían que operar en ambientes muy fríos usando costosos “refrigeradores de dilución” que alcanzan temperaturas de hasta 0,01 Kelvin.

En este nuevo desarrollo, A/Prof. Pla dice que él y el equipo lograron integrar los componentes en un solo chip.

“Nuestra nueva tecnología integra varias partes importantes del espectrómetro en un solo dispositivo y es compatible con campos magnéticos relativamente grandes. Esto es importante, porque para medir los espines es necesario colocarlos en un campo de alrededor de 0,5 Tesla, o diez mil veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra.

“Además, nuestro dispositivo funcionó a más de 10 veces la temperatura de las demostraciones anteriores, lo que significa que no necesitamos usar un refrigerador de dilución”.

Maestro. Pla dice que el equipo de UNSW ha patentado la tecnología para su posible comercialización, pero enfatiza que aún queda trabajo por hacer.

“Es posible empaquetar esta cosa y comercializarla, lo que permitirá que otros investigadores la conecten a sus sistemas comerciales existentes para darles un impulso de sensibilidad.

“Si esta nueva tecnología se desarrollara adecuadamente, podría ayudar a los químicos, biólogos e investigadores médicos, que actualmente dependen de herramientas fabricadas por estas grandes empresas tecnológicas que funcionan, pero que podrían hacer algo mejor”.