O ruído eletromagnético representa um grande problema para as comunicações, levando as operadoras sem fio a investir pesadamente em tecnologias para superá-lo. Mas para uma equipe de cientistas que explora o reino atômico, medir pequenas flutuações no ruído pode ser a chave para a descoberta.

"O ruído geralmente é considerado um incômodo, mas os físicos podem aprender muitas coisas estudando o ruído ", disse Nathalie de Leon, professora associada de engenharia elétrica e de computação da Universidade de Princeton. "Ao medir o ruído em um material, eles podem aprender sua composição, sua temperatura, como os elétrons fluem e interagem uns com os outros e como os spins formam ímãs. Geralmente é difícil medir qualquer coisa sobre como o ruído muda no espaço ou Tempo."

Usando diamantes especialmente projetados, uma equipe de pesquisadores de Princeton e da Universidade de Wisconsin-Madison desenvolveu uma técnica para medir o ruído em um material estudando correlações, e eles podem usar essas informações para aprender a estrutura espacial e a natureza variável no tempo do barulho. Essa técnica, que se baseia no rastreamento de pequenas flutuações nos campos magnéticos, representa uma grande melhoria em relação aos métodos anteriores que calculavam a média de muitas medições separadas.

A De Leon é líder na fabricação e uso de estruturas de diamante altamente controladas chamadas centros de vacância de nitrogênio (NV). Esses centros NV são modificações na rede de átomos de carbono de um diamante, na qual um carbono é substituído por um átomo de nitrogênio e, adjacente a ele, há um espaço vazio, ou vacância, na estrutura molecular. Os diamantes com centros NV são uma das poucas ferramentas que podem medir mudanças nos campos magnéticos na escala e velocidade necessárias para experimentos críticos em tecnologia quântica e física da matéria condensada.

Embora um único centro NV permitisse aos cientistas fazer leituras detalhadas de campos magnéticos, foi somente quando a equipe de Leon desenvolveu um método para aproveitar vários centros NV simultaneamente que eles conseguiram medir a estrutura espacial do ruído em um material. Isso abre a porta para a compreensão das propriedades de materiais com comportamentos quânticos bizarros que até agora foram analisados ??apenas teoricamente, disse de Leon, autor sênior de um artigo descrevendo a técnica publicado online em 22 de dezembro na revista Science .

"É uma técnica fundamentalmente nova", disse de Leon. "Ficou claro de uma perspectiva teórica que seria muito poderoso ser capaz de fazer isso. O público que eu acho que está mais animado com este trabalho são os teóricos da matéria condensada, agora que existe todo esse mundo de fenômenos que eles podem ser capazes de caracterizar de uma maneira diferente."

Um desses fenômenos é um líquido de spin quântico , um material explorado pela primeira vez em teorias há quase 50 anos e que tem sido difícil de caracterizar experimentalmente. Em um líquido de spin quântico, os elétrons estão constantemente em fluxo, em contraste com a estabilidade do estado sólido que caracteriza um material magnético típico quando resfriado a uma certa temperatura.

“O desafio de um líquido de rotação quântica é que, por definição, não há ordenação magnética estática, então você não pode simplesmente mapear um campo magnético ” da mesma forma que faria com outro tipo de material, disse de Leon. “Até agora não havia essencialmente nenhuma maneira de medir diretamente esses correlacionadores de campo magnético de dois pontos , e o que as pessoas têm feito é tentar encontrar proxies complicados para essa medição”.

Ao medir simultaneamente os campos magnéticos em vários pontos com sensores de diamante, os pesquisadores podem detectar como os elétrons e seus spins estão se movendo no espaço e no tempo em um material. Ao desenvolver o novo método, a equipe aplicou pulsos de laser calibrados a um diamante contendo centros NV e detectou dois picos de contagem de fótons de um par de centros NV – uma leitura dos giros de elétrons em cada centro no mesmo ponto no tempo. Técnicas anteriores teriam tirado uma média dessas medições, descartando informações valiosas e tornando impossível distinguir o ruído intrínseco do diamante e seu ambiente dos sinais de campo magnético gerados por um material de interesse.

“Um desses dois picos é um sinal que estamos aplicando, o outro é um pico do ambiente local e não há como saber a diferença”, disse o coautor do estudo Shimon Kolkowitz, professor associado de física da Universidade de Wisconsin. -Madison. "Mas quando olhamos para as correlações, aquela que está correlacionada é do sinal que estamos aplicando e a outra não. E podemos medir isso, algo que as pessoas não podiam medir antes."

Kolkowitz e de Leon se conheceram como Ph.D. estudantes da Universidade de Harvard, e têm mantido contato com frequência desde então. A colaboração em pesquisa surgiu no início da pandemia do COVID-19, quando a pesquisa de laboratório desacelerou, mas a colaboração de longa distância tornou-se mais atraente, pois a maioria das interações ocorreu pelo Zoom, disse de Leon.

Jared Rovny, principal autor do estudo e pesquisador associado de pós-doutorado no grupo de Leon, liderou o trabalho teórico e experimental do novo método. As contribuições de Kolkowitz e sua equipe foram fundamentais para projetar os experimentos e entender os dados, disse de Leon. Os coautores do artigo também incluíram Ahmed Abdalla e Laura Futamura, que conduziram pesquisas de verão com a equipe de de Leon em 2021 e 2022, respectivamente, como estagiários no programa Quantum Undergraduate Research at IBM and Princeton (QURIP), que de Leon cofundou em 2019.

O artigo, "Magnetometria de covariância em nanoescala com sensores quânticos de diamante", foi publicado online em 22 de dezembro na Science .