Fabrican un sensor cuántico basado en diamantes en un chip de silicio

Investigadores integran componentes de detección basados ​​en diamantes en un chip para permitir hardware cuántico de bajo costo y alto rendimiento.

Investigadores del MIT, por primera vez, fabricaron un sensor cuántico basado en diamantes en un chip de silicio.

El avance podría allanar el camino hacia hardware escalable y de bajo costo para computación cuántica, detección y comunicación.

Los “centros de vacantes de nitrógeno (NV)” en los diamantes son defectos con electrones que pueden ser manipulados por la luz y las microondas.

En respuesta, emiten fotones de colores que transportan información cuántica sobre los campos magnéticos y eléctricos circundantes, que pueden usarse para biosensores, neuroimágenes, detección de objetos y otras aplicaciones de detección.

Pero los sensores cuánticos tradicionales basados ​​en NV son del tamaño de una mesa de cocina, con componentes caros y discretos que limitan la practicidad y la escalabilidad.

En un artículo publicado en Nature Electronics, los investigadores encontraron una forma de integrar todos esos componentes voluminosos, incluido un generador de microondas, filtro óptico y fotodetector, en un paquete a escala milimétrica, utilizando técnicas tradicionales de fabricación de semiconductores.

En particular, el sensor funciona a temperatura ambiente con capacidades para detectar la dirección y la magnitud de los campos magnéticos.

Los investigadores demostraron el uso del sensor para la magnetometría, lo que significa que pudieron medir los cambios a escala atómica en la frecuencia debido a los campos magnéticos circundantes, que podrían contener información sobre el medio ambiente.

Con un mayor refinamiento, el sensor podría tener una variedad de aplicaciones, desde mapear impulsos eléctricos en el cerebro hasta detectar objetos, incluso sin una línea de visión.

“Es muy difícil bloquear los campos magnéticos, por lo que es una gran ventaja para los sensores cuánticos”, dice el coautor Christopher Foy, un estudiante graduado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS).

“Si hay un vehículo viajando en, digamos, un túnel subterráneo debajo de usted, podrá detectarlo incluso si no lo ve allí”.

Los centros NV en los diamantes ocurren donde faltan átomos de carbono en dos lugares adyacentes en la estructura reticular: un átomo se reemplaza por un átomo de nitrógeno y el otro espacio es una “vacante” vacía.

Eso deja enlaces faltantes en la estructura, donde los electrones son extremadamente sensibles a pequeñas variaciones en las características eléctricas, magnéticas y ópticas en el entorno circundante.

El centro NV funciona esencialmente como un átomo, con un núcleo y electrones circundantes.

También tiene propiedades fotoluminiscentes, lo que significa que absorbe y emite fotones coloreados.

Barrer microondas en el centro puede hacer que cambie de estado (positivo, neutro y negativo), lo que a su vez cambia el giro de sus electrones.

Luego, emite diferentes cantidades de fotones rojos, dependiendo del giro.

Una técnica, llamada resonancia magnética detectada ópticamente (ODMR), mide cuántos fotones se emiten al interactuar con el campo magnético circundante.

Esa interacción produce más información cuantificable sobre el campo.

Para que todo funcione, los sensores tradicionales requieren componentes voluminosos, que incluyen un láser montado, fuente de alimentación, generador de microondas, conductores para enrutar la luz y las microondas, un filtro óptico y un sensor, y un componente de lectura.

En cambio, los investigadores desarrollaron una nueva arquitectura de chip que posiciona y apila componentes pequeños y económicos de cierta manera utilizando la tecnología estándar complementaria de semiconductores de óxido de metal (CMOS), para que funcionen como esos componentes.

“Las tecnologías CMOS permiten estructuras tridimensionales muy complejas en un chip”, dice Ibrahim.

“Podemos tener un sistema completo en el chip, y solo necesitamos un pedazo de diamante y una fuente de luz verde en la parte superior. Pero eso puede ser un LED de escala de chip normal “.

Los centros NV dentro de una losa de diamante se colocan en un “área de detección” del chip.

Un pequeño láser de bomba verde excita los centros NV, mientras que un nanocable colocado cerca de los centros NV genera microondas en respuesta a la corriente.

Básicamente, la luz y el microondas trabajan juntos para hacer que los centros NV emitan una cantidad diferente de fotones rojos, siendo la diferencia la señal objetivo para la lectura en los experimentos de los investigadores.

Debajo de los centros NV hay un fotodiodo, diseñado para eliminar el ruido y medir los fotones.

Entre el diamante y el fotodiodo hay una rejilla metálica que actúa como un filtro que absorbe los fotones láser verdes al tiempo que permite que los fotones rojos lleguen al fotodiodo.

En resumen, esto permite un dispositivo ODMR en el chip, que mide los cambios de frecuencia de resonancia con los fotones rojos que transportan información sobre el campo magnético circundante.

Pero, ¿cómo puede un chip hacer el trabajo de una máquina grande?

Un truco clave es simplemente mover el cable conductor, que produce las microondas, a una distancia óptima de los centros NV.

Incluso si el chip es muy pequeño, esta distancia precisa permite que la corriente del cable genere suficiente campo magnético para manipular los electrones.

La estrecha integración y el código de los cables conductores de microondas y los circuitos de generación también ayudan.

En su artículo, los investigadores pudieron generar suficiente campo magnético para permitir aplicaciones prácticas en la detección de objetos.

En otro documento presentado a principios de este año en la Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido, los investigadores describen un sensor de segunda generación que realiza varias mejoras en este diseño para lograr una sensibilidad 100 veces mayor.

Luego, los investigadores dicen que tienen una “hoja de ruta” sobre cómo aumentar la sensibilidad en 1,000 veces.

Eso básicamente implica escalar el chip para aumentar la densidad de los centros NV, lo que determina la sensibilidad.

Si lo hacen, el sensor podría usarse incluso en aplicaciones de neuroimagen.

Eso significa colocar el sensor cerca de las neuronas, donde puede detectar la intensidad y la dirección de la activación de las neuronas.

Eso podría ayudar a los investigadores a mapear las conexiones entre las neuronas y ver qué neuronas se disparan entre sí.

Otras aplicaciones futuras que incluyen un reemplazo de GPS para vehículos y aviones.

Debido a que el campo magnético en la Tierra se ha cartografiado tan bien, los sensores cuánticos pueden servir como brújulas extremadamente precisas, incluso en entornos con GPS denegado.

“Solo estamos al comienzo de lo que podemos lograr”, dice Han.

“Es un viaje largo, pero ya tenemos dos hitos en la pista, con los sensores de primera y segunda generación.

Planeamos pasar de la detección a la comunicación a la informática. Conocemos el camino a seguir y sabemos cómo llegar allí ”.

“Estoy entusiasmado con esta tecnología de sensores cuánticos y preveo un gran impacto en varios campos”, dice Ron Walsworth, profesor titular de la Universidad de Harvard, cuyo grupo desarrolla herramientas de magnetometría de alta resolución utilizando centros NV.

“Han dado un paso clave en la integración de los sensores de diamante cuántico con la tecnología CMOS, incluida la generación y entrega de microondas en chip, así como el filtrado y la detección en el chip de la luz fluorescente que transporta información de los defectos cuánticos en el diamante.

La unidad resultante es compacta y relativamente de baja potencia.

Los próximos pasos serán mejorar aún más la sensibilidad y el ancho de banda del sensor de diamante cuántico [e] integrar el sensor de diamante CMOS con aplicaciones de gran alcance, incluidos análisis químicos, espectroscopía de RMN y caracterización de materiales “.

Fuente: MIT