juillet 5, 2022

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Les ingénieurs étendent les capacités de ces nanodétecteurs ultra-sensibles, avec des utilisations potentielles pour l’informatique quantique et la biodétection. Drapeau quotidien

Les capteurs quantiques, qui détectent les différences les plus infimes dans les champs magnétiques ou électriques, ont permis des mesures précises en science des matériaux et en physique fondamentale. Mais ces capteurs n’étaient capables de détecter que quelques fréquences précises de ces champs, ce qui limite leur utilité. Maintenant, des chercheurs du MIT ont développé un moyen de permettre à ces capteurs de détecter n’importe quelle fréquence aléatoire, sans perdre leur capacité à mesurer des caractéristiques à l’échelle nanométrique.

La nouvelle méthode, que l’équipe a déjà appliquée pour la protection par brevet, est décrite dans la revue X. examen physiquedans un article rédigé par l’étudiant diplômé Guoqing Wang, professeur de sciences nucléaires, d’ingénierie et de physique Paula Capellaro, et quatre autres au MIT et au Lincoln Laboratory.

Les capteurs quantiques peuvent prendre plusieurs formes ; Ce sont essentiellement des systèmes dans lesquels certaines particules sont dans un état si finement équilibré qu’elles sont affectées par des différences même minimes dans les champs auxquels elles sont exposées. Ceux-ci peuvent prendre la forme d’atomes neutres, d’ions piégés et de spins à l’état solide, et la recherche utilisant de tels capteurs s’est rapidement développée. Par exemple, les physiciens les utilisent pour explorer des états exotiques de la matière, y compris les soi-disant cristaux temporels et les phases topologiques, tandis que d’autres chercheurs les utilisent pour caractériser des dispositifs pratiques tels que la mémoire quantique expérimentale ou des dispositifs informatiques. Mais de nombreux autres phénomènes intrigants couvrent une gamme de fréquences beaucoup plus large que ce que les capteurs quantiques actuels peuvent détecter.

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Le nouveau système mis au point par l’équipe, qu’ils appellent un mélangeur quantique, injecte une deuxième fréquence dans le détecteur à l’aide d’un faisceau de micro-ondes. Cela convertit la fréquence du champ étudié en une fréquence différente – la différence entre la fréquence d’origine et la fréquence du signal ajouté – qui est accordée à la fréquence spécifique à laquelle le détecteur est le plus sensible. Ce processus simple permet au détecteur de revenir à absolument n’importe quelle fréquence souhaitée, sans perte de résolution spatiale à l’échelle nanométrique du capteur.

Dans leurs expériences, l’équipe a utilisé un dispositif spécifique basé sur un réseau de centres de lacunes d’azote dans le diamant, un système de détection quantique largement utilisé, et a démontré avec succès la détection d’un signal de 150 MHz, à l’aide d’un détecteur de qubit de 2,2 GHz, une détection qui serait impossible. sans multiplexeur Quantitatif. Ils ont ensuite fait des analyses détaillées du processus en dérivant un cadre théorique, basé sur la théorie de Flockett, et en testant les prédictions numériques de cette théorie dans une série d’expériences.

Bien que leurs tests aient utilisé ce système spécifique, dit Wang, « le même principe peut également être appliqué à tout type de capteur ou d’appareil quantique ». Le système sera autonome, le détecteur et la deuxième source de fréquence sont assemblés en un seul appareil.

Wang dit que ce système peut être utilisé, par exemple, pour caractériser en détail les performances d’une antenne hyperfréquence. Peut distinguer la distribution du champ [generated by the antenna] Avec une précision à l’échelle nanométrique, c’est donc très prometteur dans cette direction. »

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Il existe d’autres moyens de modifier la sensibilité en fréquence de certains capteurs quantiques, mais ils nécessitent l’utilisation de gros appareils et de puissants champs magnétiques qui brouillent les détails fins et rendent impossible l’obtention de la très haute précision offerte par le nouveau système. Dans de tels systèmes aujourd’hui, dit Wang, « vous devez utiliser un champ magnétique puissant pour régler le capteur, mais ce champ magnétique peut briser les propriétés des matériaux quantiques, ce qui peut affecter les phénomènes que vous souhaitez mesurer ».

Le système peut ouvrir de nouvelles applications dans les domaines biomédicaux, selon Capellaro, car il peut donner accès à une gamme de fréquences d’activité électrique ou magnétique au niveau d’une seule cellule. Il serait très difficile d’obtenir une précision utile pour de tels signaux en utilisant les systèmes de détection quantiques actuels, dit-elle. Il pourrait être possible d’utiliser ce système pour détecter les signaux de sortie d’un seul neurone en réponse à certains stimulus, par exemple, qui incluent généralement une grande quantité de bruit, ce qui rend ces signaux difficiles à isoler.

Le système peut également être utilisé pour décrire en détail le comportement de matériaux exotiques tels que les matériaux 2D qui sont largement étudiés pour leurs propriétés électromagnétiques, optiques et physiques.

Dans les travaux en cours, l’équipe explore la possibilité de trouver des moyens d’étendre le système pour pouvoir examiner une gamme de fréquences simultanément, plutôt que de cibler la seule fréquence du système existant. Ils continueront également à déterminer les capacités du système à l’aide de capteurs quantiques plus puissants au Lincoln Laboratory, où se trouvent certains membres de l’équipe de recherche.

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L’équipe comprenait Yi Xiang Liu du Massachusetts Institute of Technology, Jennifer Schloss, Scott Alcid et Daniel Bray du Lincoln Laboratory. Le travail a été soutenu par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) et Q-Diamond.