Imagens de raios X de diamante vibrando abrem caminhos para detecção quântica

Quando se trata de materiais para sensores quânticos, o diamante é o melhor jogo da cidade, diz o professor Gregory Fuchs da Universidade Cornell. Agora, ele e uma equipe de cientistas elevaram o jogo do diamante ao gerar imagens requintadas de diamantes passando por vibrações microscópicas.

A equipe, composta por pesquisadores do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e da Universidade Cornell e Purdue, alcançou um avanço duplo na ciência da informação quântica.

Primeiro, pulsando o diamante com ondas sonoras, eles tiraram imagens de raios X das vibrações do diamante e mediram o quanto os átomos se comprimiam ou expandiam dependendo da frequência da onda.

Em segundo lugar, eles conectaram essa tensão atômica com outra propriedade atômica, o spin — uma característica especial de toda a matéria atômica — e definiram a relação matemática entre as duas.

As descobertas são essenciais para o sensoriamento quântico, que se baseia em características especiais dos átomos para fazer medições significativamente mais precisas do que somos capazes hoje. Espera-se que os sensores quânticos tenham uso generalizado na medicina, navegação e cosmologia nas próximas décadas.

Agite e gire

Cientistas usam spin para codificar informações quânticas. Ao determinar como o spin responde à tensão no diamante, a equipe forneceu um manual sobre como manipulá-lo: Dê ao diamante uma microagitação dessa maneira, e o spin muda tanto. Agite o diamante dessa maneira, e o spin muda tanto.

A pesquisa, publicada em Revisão Física Aplicadaé a primeira vez que alguém mediu diretamente a correlação em diamante em frequências de gigahertz (bilhões de pulsos por segundo).

Também faz parte de um esforço maior na comunidade da ciência quântica para conectar precisamente a deformação atômica e o spin associado em uma ampla gama de materiais. Por exemplo, pesquisadores em Argonne e na Universidade de Chicago mediram anteriormente correlações de spin-deformação em carboneto de silício, outro material estelar que os pesquisadores estão projetando para aplicações quânticas.

A pesquisa do grupo é apoiada em parte pelo Q-NEXT, um Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do DOE liderado por Argonne.

“Estamos conectando dois lados de uma equação — o lado do spin e o lado da deformação — e comparando diretamente o que está acontecendo no diamante”, disse Fuchs, professor da Escola de Física Aplicada e de Engenharia de Cornell e colaborador da Q-NEXT. “Foi muito gratificante martelar diretamente os dois.”

Resolvendo a equação spin-deformação

Os dois lados da equação foram colocados em conflito a centenas de quilômetros de distância.

Para as medições de spin, cientistas da Universidade Cornell, em Nova York, mediram como o spin respondia às ondas sonoras pulsando através do diamante usando um dispositivo exclusivo desenvolvido por pesquisadores da Cornell e da Purdue.

Para as medições de deformação, o aluno de pós-graduação de Cornell e autor do artigo Anthony D’Addario dirigiu 700 milhas até Argonne, em Illinois, para usar a Advanced Photon Source (APS), uma instalação de usuário do DOE Office of Science. A máquina de 1 quilômetro de circunferência gera raios X que permitem aos pesquisadores ver como um material se comporta em nível atômico e molecular.

Tendo gerado imagens de tensão em outros materiais para tecnologias quânticas, agora faria o mesmo para o diamante. A equipe usou um feixe de raios X operado em conjunto pelo APS e pelo Argonne’s Center for Nanoscale Materials, também uma instalação de usuário do DOE Office of Science, para tirar fotos semelhantes a luz estroboscópica dos átomos do diamante enquanto eles balançavam para frente e para trás.

Eles se concentraram em um local específico dentro do diamante: uma irregularidade chamada centro de vacância de nitrogênio (NV), que consiste em um buraco do tamanho de um átomo e um átomo de nitrogênio vizinho. Cientistas usam centros NV como base para sensores quânticos.

As imagens de alta resolução do APS permitiram que a equipe medisse o movimento dos átomos perto dos centros NV do diamante com uma precisão de uma parte em 1.000.

“Ser capaz de usar o APS para observar ou quantificar de forma inequívoca a tensão perto do centro NV, conforme ela é modulada por esses belos ressonadores acústicos desenvolvidos em Purdue e Cornell, nos permite obter a história localmente perto dos centros NV”, disse o cientista de Argonne e colaborador do Q-NEXT, Martin Holt, que também é autor do artigo.

“Essa sempre foi a beleza dos raios X rígidos: ser capaz de enxergar completamente através de sistemas complexos e obter respostas quantitativas sobre o que há dentro deles.”

Com medições de spin e deformação em mãos, Fuchs e sua equipe relacionaram as duas em uma equação que, satisfatoriamente, concordava com a teoria.

“A parte mais emocionante foi fazer a análise. Acabamos encontrando um novo número que relacionava o spin e a deformação, e ele acabou concordando com alguma teoria e medições anteriores”, disse D’Addario.

Engenharia acústica

O spin pode ser manipulado de algumas maneiras. A mais popular é usar ondas eletromagnéticas. Usar ondas acústicas é menos comum.

Mas tem vantagens. Por um lado, ondas acústicas podem ser usadas para manipular spin de maneiras que não podem ser alcançadas com campos eletromagnéticos.

Por outro lado, as ondas acústicas podem proteger a informação quântica codificada no spin. A informação quântica é frágil e se desintegra quando perturbada pelo seu ambiente, um processo chamado decoerência. Um dos objetivos da pesquisa quântica é evitar a decoerência por tempo suficiente para que a informação seja processada com sucesso.

“É um pouco contraintuitivo que adicionar som a um sistema o torne melhor, mas é um pouco como ligar um gerador de ruído branco para não ouvir uma conversa”, disse Holt. “Você pode usar as ondas acústicas para proteger o bit quântico da decoerência. Você está mudando o que o sistema é sensível de uma forma que o protege desses outros processos sonoros.”

Há também a vantagem da miniaturização. Enquanto uma onda eletromagnética de 1 gigahertz tem aproximadamente um pé de comprimento, uma onda acústica de gigahertz é minúscula, aproximadamente da largura de um fio de cabelo humano. Esse pequeno comprimento de onda permite que os cientistas coloquem vários dispositivos semelhantes em uma configuração pequena e ainda garantam que seus sinais não se cruzem.

“Se você não quer que haja muita discussão ou interferência entre dispositivos vizinhos, então você pode usar dispositivos de ondas acústicas, que podem ser muito confinados”, disse Fuchs.

A combinação dessas vantagens com o diamante resulta em um sensor quântico superior. Como um hospedeiro para informações quânticas, o diamante permite longos tempos de vida de informações, pode operar em temperatura ambiente e fornece medições confiáveis.

“Eu diria que a maioria das pessoas concordaria comigo que, para sensores quânticos, o diamante é rei”, disse Fuchs.

A colaboração interdisciplinar foi fundamental para o esforço.

“Devido à complexidade e sensibilidade desses sistemas, há muitas coisas diferentes que podem movimentar fenômenos quânticos”, disse Holt.

“Ser capaz de estabelecer cuidadosamente a linha de base da resposta a peças individuais requer correlação. Essa é uma questão multidisciplinar, e é algo que o Q-NEXT é muito adequado para responder. O investimento do Q-NEXT em termos de criação de ambientes em operação para sistemas quânticos nessas instalações está realmente valendo a pena.”