Rilevamento quantistico su un chip
I ricercatori integrano componenti di rilevamento basati su diamante in un chip per consentire hardware quantico a basso costo e ad alte prestazioni.
I ricercatori del MIT hanno, per la prima volta, fabbricato un sensore quantico a base di diamante su un chip di silicio. L’avanzamento potrebbe spianare la strada verso hardware scalabile e a basso costo per l’elaborazione quantistica, rilevamento e comunicazione.
I “centri di vaporizzazione dell’azoto (NV)” nei diamanti presentano difetti con elettroni che possono essere manipolati dalla luce e dalle microonde. In risposta, emettono fotoni colorati che trasportano informazioni quantistiche sui campi magnetici ed elettrici circostanti, che possono essere utilizzati per il biosensori, neuro immagine, rilevamento di oggetti e altre applicazioni di rilevamento. Ma i sensori quantistici tradizionali basati su NV hanno le dimensioni di un tavolo da cucina, con componenti costosi e discreti che limitano la praticità e la scalabilità.
In un articolo pubblicato su Nature Electronics, i ricercatori hanno trovato il modo di integrare tutti quei componenti ingombranti – tra cui un generatore a microonde, un filtro ottico e un fotodetettore – in un pacchetto su scala millimetrica, utilizzando tecniche tradizionali di fabbricazione dei semiconduttori. In particolare, il sensore funziona a temperatura ambiente con capacità di rilevamento della direzione e dell’ampiezza dei campi magnetici.
I ricercatori hanno dimostrato l’uso del sensore per la magnetometria, il che significa che sono stati in grado di misurare gli spostamenti su scala atomica nella frequenza dovuti ai campi magnetici circostanti, che potrebbero contenere informazioni sull’ambiente. Con un ulteriore affinamento, il sensore potrebbe avere una vasta gamma di applicazioni, dalla mappatura degli impulsi elettrici nel cervello al rilevamento di oggetti, anche senza una visuale.
“E’ molto difficile bloccare i campi magnetici, quindi questo è un enorme vantaggio per i sensori quantistici”, dice il coautore Christopher Foy, uno studente laureato al Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS). “Se c’è un veicolo che viaggia, ad esempio, in un tunnel sotterraneo sotto di voi, sarete in grado di rilevarlo anche se non lo vedete”.
Uniti a Foy nella relazione sono: Mohamed Ibrahim, laureato in EECS; Donggyu Kim PhD ’19; Matthew E. Trusheim, postdoc in EECS; Ruonan Han, professore associato in EECS e capo del Terahertz Integrated Electronics Group, che fa parte dei Microsystems Technology Laboratories (MTL) del MIT; e Dirk Englund, professore associato del MIT di ingegneria elettrica e informatica, ricercatore in Research Laboratory of Electronics (RLE) e capo del Quantum Photonics Laboratory.
In sintesi
I centri NV in diamanti si verificano dove mancano atomi di carbonio in due luoghi adiacenti nella struttura reticolare, un atomo è sostituito da un atomo di azoto, e l’altro spazio è un “posto libero”. Questo lascia dei legami mancanti nella struttura, dove gli elettroni sono estremamente sensibili alle piccole variazioni delle caratteristiche elettriche, magnetiche e ottiche dell’ambiente circostante.
Il centro NV funziona essenzialmente come un atomo, con un nucleo e gli elettroni circostanti. Ha anche proprietà foto luminescenti, il che significa che assorbe ed emette fotoni colorati. La diffusione di microonde attraverso il centro può fargli cambiare gli stati – positivo, neutro e negativo – che a sua volta cambia lo spin dei suoi elettroni. Poi, emette diverse quantità di fotoni rossi, a seconda dello spin.
Una tecnica, chiamata risonanza magnetica rilevata otticamente (ODMR), misura quanti fotoni sono emessi interagendo con il campo magnetico circostante. Tale interazione produce ulteriori informazioni quantificabili sul campo magnetico. Affinché tutto questo funzioni, i sensori tradizionali richiedono componenti ingombranti, tra cui un laser, un alimentatore, un generatore a microonde, conduttori per indirizzare la luce e le microonde, un filtro ottico e un sensore e un componente di visualizzazione.
I ricercatori hanno invece sviluppato una nuova architettura di chip che posiziona e impila minuscoli e poco costosi componenti in un certo modo utilizzando la tecnologia standard complementare metallo-ossido-semiconduttore (CMOS), in modo che funzionino come quei componenti. “Le tecnologie CMOS consentono di realizzare strutture 3D molto complesse su un chip”, dice Ibrahim. Possiamo avere un sistema completo sul chip e ci serve solo un pezzo di diamante e una sorgente di luce verde sulla parte superiore”. Ma questo può essere un normale LED a scala di chip”.
I centri NV all’interno di una lastra diamantata sono posizionati in una “area di rilevamento” del chip. Un piccolo laser a pompa verde eccita i centri NV, mentre un nanofilo posto vicino ai centri NV genera microonde radicali in risposta alla corrente. Fondamentalmente, la luce e le microonde lavorano insieme per far sì che i centri NV emettano una diversa quantità di fotoni rossi – con la differenza che è il segnale target per la lettura negli esperimenti dei ricercatori.
Sotto i centri NV c’è un fotodiodo, progettato per eliminare il rumore e misurare i fotoni. Tra il diamante e il fotodiodo c’è un reticolo metallico che funge da filtro che assorbe i fotoni laser verdi e permette ai fotoni rossi di raggiungere il fotodiodo. In breve, questo permette un dispositivo ODMR on-chip, che misura gli spostamenti di frequenza di risonanza con i fotoni rossi che trasportano informazioni sul campo magnetico circostante.
Ma come può un chip fare il lavoro di una macchina di grandi dimensioni? Un trucco chiave è semplicemente spostare il filo conduttore, che produce le microonde, ad una distanza ottimale dai centri NV. Anche se il chip è molto piccolo, questa distanza precisa permette alla corrente del filo di generare sufficiente campo magnetico per manipolare gli elettroni. Anche la stretta integrazione e la codifica dei fili conduttori a microonde e dei circuiti di generazione aiutano. Nel loro articolo, i ricercatori sono stati in grado di generare abbastanza campo magnetico per consentire applicazioni pratiche nel rilevamento di oggetti.
Siamo solo all’inizio
In un altro articolo presentato all’inizio di quest’anno all’International Solid-State Circuits Conference, i ricercatori descrivono un sensore di seconda generazione che apporta vari miglioramenti a questo progetto per ottenere una sensibilità 100 volte superiore. Successivamente, i ricercatori affermano di avere una “tabella di marcia” per aumentare la sensibilità di 1.000 volte. Ciò comporta fondamentalmente scalare il chip per aumentare la densità dei centri NV, che determina la sensibilità.
Se lo fanno, il sensore potrebbe essere utilizzato anche in applicazioni di neuro immagine. Ciò significa mettere il sensore vicino ai neuroni, dove può rilevare l’intensità e la direzione di accensione dei neuroni. Questo potrebbe aiutare i ricercatori a mappare le connessioni tra i neuroni e vedere quali neuroni si innescano a vicenda. Altre applicazioni future, compresa la sostituzione del GPS per veicoli e aerei. Poiché il campo magnetico sulla Terra è stato mappato così bene, i sensori quantistici possono servire come bussole estremamente precise, anche in ambienti negati dal GPS.
“Siamo solo all’inizio di ciò che possiamo realizzare”, dice Han. “È un lungo viaggio, ma abbiamo già due pietre miliari in pista, con i sensori di prima e seconda generazione. Abbiamo in programma di passare dal rilevamento, alla comunicazione, all’informatica. Conosciamo la strada da seguire e sappiamo come arrivarci”.
“Sono entusiasta di questa tecnologia dei sensori quantistici e prevedo un grande impatto in diversi campi”, dice Ron Walsworth, un docente senior della Harvard University, il cui gruppo sviluppa strumenti di magnetometria ad alta risoluzione utilizzando centri NV.
“Hanno compiuto un passo fondamentale nell’integrazione dei sensori quantistici al diamante con la tecnologia CMOS, compresa la generazione e la fornitura di microonde su chip, così come il filtraggio su chip e il rilevamento della luce fluorescente che trasporta le informazioni dai difetti quantistici del diamante. L’unità risultante è compatta e di potenza relativamente bassa. I prossimi passi saranno quelli di migliorare ulteriormente la sensibilità e la larghezza di banda del sensore quantico del diamante e integrare il sensore CMOS-diamante con applicazioni ad ampio spettroscopia NMR, analisi chimica, spettroscopia NMR e caratterizzazione dei materiali”.
Fonte → news.mit.edu
