Misurazione della frequenza con l'aiuto dei quanti

Misure accurate di frequenza sono estremamente importanti in molte applicazioni scientifiche e tecniche. Ad esempio, per analizzare molecole biologicamente rilevanti con l'aiuto della risonanza magnetica nucleare, si misurano le frequenze alle quali i nuclei atomici reagiscono alle onde elettromagnetiche. Con l'aiuto di nuovi metodi di misurazione basati sulla meccanica quantistica, è ora possibile effettuare tali analisi con sonde minuscole che possono essere posizionate nelle immediate vicinanze di tessuti e cellule.

Gli scienziati dell'ETH di Zurigo, guidati da Christian Degen, professore del Laboratorio di Fisica dello Stato Solido, hanno ora sviluppato un metodo che consentirà in futuro di effettuare misurazioni di frequenza molto più accurate.

Sensore quantistico in un diamante

Da alcuni anni i ricercatori di tutto il mondo cercano di utilizzare la meccanica quantistica per effettuare misure di precisione altamente sensibili. La tecnologia dei sensori quantistici è quindi uno dei pilastri del progetto faro recentemente annunciato dalla Commissione europea, che mira a promuovere la ricerca sulle tecnologie quantistiche. Degen e il suo team stanno creando un sensore quantistico con l'aiuto di un cosiddetto centro di vacancy di azoto in un diamante. Si tratta di un leggero difetto della pietra preziosa, che in realtà è composta esclusivamente da carbonio.

In particolare, un atomo di azoto sostituisce un atomo di carbonio nel reticolo cristallino e allo stesso tempo manca un atomo di carbonio in un sito reticolare vicino. Gli stati energetici di questo sito mancante possono essere considerati come un sistema quantistico a due livelli (noto anche come qubit) e possono essere controllati con l'aiuto di microonde e raggi laser. Se il sistema quantistico viene posto in una sovrapposizione dei due stati energetici, è possibile misurare campi magnetici o elettrici molto deboli - ma solo finché la sovrapposizione o "coerenza" dura e non viene distrutta da influenze ambientali ("decoerenza").

Precisione attraverso misure multiple

"Per determinare con precisione le frequenze, è necessario poter misurare il più a lungo possibile. È proprio qui che la nostra tecnologia apre nuove prospettive", spiega Jens Boss, dottorando nel laboratorio di Degen. L'idea è che più oscillazioni di un segnale periodico si possono contare, minore è l'errore di misura relativo. Per evitare di essere legati al tempo di coerenza del centro di vacancy dell'azoto, i ricercatori di Fare all'ETH hanno escogitato un trucco. Invece di effettuare una singola misura all'interno del tempo di coerenza, hanno effettuato molte centinaia di misure in successione. Ogni volta, lo stato quantistico del centro di azoto-vacanza veniva messo in un nuovo stato di sovrapposizione o "inizializzato".

Queste misure hanno permesso di determinare la fase (cioè lo stato di oscillazione) del segnale periodico in un momento specifico. Per poter poi assemblare l'oscillazione completa a partire da queste istantanee, Degen e i suoi collaboratori hanno sincronizzato le misure con un orologio molto preciso, che è stato utilizzato per registrare con precisione gli orari delle istantanee.

In questo modo, i ricercatori sono riusciti a misurare un debole segnale magnetico per diverse ore e a determinarne la frequenza a meno di un microhertz (un milionesimo di oscillazione al secondo, o circa un'oscillazione ogni 300 ore). I ricercatori stessi sono rimasti in qualche modo sorpresi dalla sensibilità del loro sensore, come spiega il dottorando dell'ETH Kristian Cujia: "Sebbene il nostro segnale fosse di soli 170 nanotesla - ovvero meno di un centesimo del campo magnetico terrestre - abbiamo avuto un rapporto segnale/rumore di oltre 10.000 a uno. Si tratta di un risultato enorme per segnali così piccoli".

Applicazioni della risonanza magnetica nucleare

Questa combinazione di misure di frequenza estremamente precise e sensibili anche ai segnali più deboli è motivo di ottimismo per le future tecnologie quantistiche. Degen vede potenziali applicazioni nella nano-risonanza magnetica nucleare, ad esempio. In questo metodo, sensori come quelli utilizzati all'ETH si avvicinano a pochi nanometri dal materiale da esaminare. Ciò consente risoluzioni spaziali che altrimenti possono essere raggiunte solo con l'ausilio di campi magnetici molto forti (come quelli utilizzati, ad esempio, nelle apparecchiature mediche).

Misurando con precisione le frequenze di risonanza, è possibile trarre conclusioni anche sulla posizione dei singoli atomi in una molecola del materiale. Con il nuovo metodo, l'accuratezza di queste misurazioni di frequenza può essere migliorata dagli attuali 10 Hertz circa a meno di un millihertz.