Il rumore elettromagnetico rappresenta un problema di comunicazione significativo, spingendo gli operatori wireless a investire pesantemente nelle tecnologie per superarlo. Nonostante sia un fastidioso, può dire molte cose studiando il rumore. Misurando il rumore in un materiale, i fisici possono conoscerne la composizione, la temperatura, il modo in cui gli elettroni fluiscono e interagiscono tra loro e come ruotano per formare i magneti. In genere è difficile misurare come il rumore cambia nello spazio o nel tempo.
Gli scienziati a Università di Princeton e la University of Wisconsin-Madison hanno creato un metodo per misurare il rumore in un materiale studiandone le correlazioni. Possono utilizzare queste informazioni per apprendere la struttura spaziale e la natura variabile nel tempo del rumore. Il metodo utilizza diamanti appositamente progettati con centri di azoto vacanti. Questo metodo, che tiene traccia delle variazioni minime nel campi magnetici, è un progresso significativo rispetto a quelli precedenti che prevedevano una media di numerose letture diverse.
Le strutture dei diamanti altamente controllate sono chiamate centri di posti vacanti di azoto (NV). Questi centri NV sono modifiche al reticolo dell'atomo di carbonio di un diamante quando un atomo di carbonio viene sostituito con un atomo di azoto e c'è uno spazio vuoto, o posto vacante, accanto ad esso nella struttura chimica. Un diamante con centri NV è uno dei pochi strumenti in grado di registrare i cambiamenti nei campi magnetici alla scala e alla velocità richieste per studi cruciali in tecnologia quantistica ed fisica della materia condensata.
Anche se un singolo centro NV ha reso possibile monitorare i campi magnetici con grande precisione, è stato solo quando gli scienziati hanno capito come utilizzare diversi centri NV che potevano analizzare l’organizzazione spaziale del rumore in un materiale.
Nathalie de Leon, professoressa associata di ingegneria elettrica e informatica all'Università di Princeton, ha dichiarato: “Ciò apre la porta alla comprensione delle proprietà dei materiali con comportamenti quantistici bizzarri che fino ad ora erano stati analizzati solo teoricamente”.
“È una tecnica fondamentalmente nuova. È chiaro da un punto di vista teorico che sarebbe molto potente farlo. Il pubblico che penso sia più entusiasta di questo lavoro è quello dei teorici della materia condensata; ora che c’è tutto questo mondo di fenomeni, potrebbero essere in grado di caratterizzarli in modo diverso”.
Liquido a rotazione quantistica è uno di questi fenomeni, in cui gli elettroni sono costantemente in flusso, in contrasto con la stabilità allo stato solido che caratterizza un tipico materiale magnetico quando raffreddato a una temperatura specifica.
de Leon ha detto: "La sfida di un liquido con spin quantistico è che, per definizione, non esiste un ordinamento magnetico statico, quindi non è possibile semplicemente mappare un campo magnetico" come faresti con un altro tipo di materiale. Fino ad ora, non c’era modo di misurare direttamente questi correlatori di campo magnetico a due punti, e le persone hanno invece cercato di trovare proxy complicati per tale misurazione”.
Gli scienziati possono determinare come gli elettroni e i loro spin fluiscono nello spazio e nel tempo di un materiale misurando simultaneamente i campi magnetici in diversi siti con sensori di diamante. Per creare la nuova tecnica, il team ha esposto un diamante con centri NV a impulsi laser calibrati e successivamente ha notato due picchi nel conteggio dei fotoni provenienti da una coppia di centri NV, una lettura degli spin degli elettroni in ciascun centro nello stesso istante.
Il coautore dello studio Shimon Kolkowitz, professore associato di fisica presso l’Università del Wisconsin-Madison, disse, “Uno di questi due picchi è un segnale che stiamo applicando, l'altro è un picco proveniente dall'ambiente locale e non c'è modo di distinguere. Ma quando guardiamo le correlazioni, quella correlata proviene dal segnale che stiamo applicando e l'altra no. E possiamo misurare ciò che prima le persone non potevano misurare”.
Riferimento della Gazzetta:
- Jared Rovny, Zhiyang Yuan, Mattias Fitzpatrick et al. Magnetometria di covarianza su nanoscala con sensori quantistici di diamante. Scienze. DOI: 10.1126/science.ade9858
