Átomos emaranhados aprimoram técnica de tomografia – Physics World

Átomos emaranhados aprimoram técnica de tomografia – Physics World

Carimbo de data / hora: 21 de junho de 2023 4h54

Sensor atômico é feito de spins cujo ruído é limitado apenas por flutuações quânticas intrínsecas
Sensor atômico: o dispositivo é feito de spins cujo ruído é limitado apenas por flutuações quânticas intrínsecas. (Cortesia: E Polzik)

Pesquisadores da Universidade de Copenhagen na Dinamarca, encontraram uma maneira de aumentar a sensibilidade de uma técnica de detecção de rotina conhecida como tomografia de indução magnética além do limite quântico padrão. O método aprimorado pode encontrar aplicação em sensoriamento biológico e médico.

Na tomografia por indução magnética, um campo magnético gerado por uma bobina condutora de corrente produz pequenas correntes parasitas na amostra que está sendo analisada. Essas correntes, por sua vez, alteram o campo magnético, que é detectado usando o spin coletivo (ou magnetização) de um magnetômetro atômico. As propriedades do campo detectado fornecem informações sobre a condutividade elétrica e a permeabilidade magnética da amostra.

A técnica é usada em levantamentos geofísicos, para testar objetos metálicos de forma não destrutiva, bem como em imagens médicas. Mas sua sensibilidade é limitada pelo chamado limite quântico, ou flutuações quânticas (incerteza) do giro coletivo do sensor.

“De fato, a mecânica quântica e o princípio da incerteza determinam que a direção do spin não pode ser determinada com precisão arbitrária”, explica Eugene Polzik, que liderou este novo estudo. “A grosso modo, em um sensor que contém N spins atômicos, a direção do spin coletivo não pode ser determinada com uma certeza angular melhor que 1/√N, e é isso que chamamos de limite quântico padrão (SQL).”

Reduzindo a incerteza

Polzik e seus colegas mostraram que essa incerteza pode ser reduzida usando um magnetômetro atômico contendo átomos cujos spins estão emaranhados para gerar o chamado estado de compressão de spin. A incerteza angular de uma das projeções deste estado está abaixo do SQL. Os pesquisadores organizaram o protocolo de tomografia por indução magnética de forma que o sinal útil esteja contido exatamente na projeção com a incerteza reduzida. Esta abordagem resulta em uma sensibilidade SQL que é quase o dobro dos magnetômetros atômicos convencionais.

“As técnicas convencionais de tomografia por indução magnética usam uma bobina para detectar o sinal”, explica Polzik. “Essas bobinas têm ruído térmico intrínseco, bem como ruído ambiental captado, o que limita a sensibilidade. Utilizamos um sensor atômico feito de spins cujo ruído é limitado apenas por flutuações quânticas intrínsecas. Isso nos permitiu melhorar substancialmente a sensibilidade em comparação com as abordagens convencionais.”

Os pesquisadores dizem que agora planejam usar seu método em sensoriamento biológico e médico e, em particular, esperam desenvolvê-lo ainda mais para obter imagens de órgãos internos, incluindo o coração e até o cérebro.

“Também planejamos continuar trabalhando nessa tomografia de indução magnética aprimorada quântica com o objetivo de melhorar ainda mais sua sensibilidade e resolução espacial”, diz Polzik Mundo da física.

A pesquisa é detalhada em Physical Review Letters.

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