Migliorare la sensibilità dei sensori atomici
I ricercatori con il progetto AQUMET, finanziato dall’UE, avevano in mente un obiettivo ambizioso: dimostrare e registrare la sensibilità dei sensori atomici, e poi migliorare quella sensibilità utilizzando la fisica quantistica in generale e, specificamente, l’accoppiamento. Esempi di sensori atomici includono gli orologi atomici e i magnetometri atomici. Quello raggiunto dai ricercatori è un traguardo davvero rivoluzionario, che apre la strada all’utilizzo di misurazioni super precise in parecchi campi. “Questo lavoro è tecnologicamente interessante dato che i campi magnetici sono onnipresenti, e quasi tutto produce o modifica il campo magnetico in un qualche modo,” dice Morgan Mitchell, il coordinatore del progetto. “In pratica, il fatto di avere accesso a misurazioni super precise è vantaggioso per le ricerche minerarie, ad esempio, visto che fornisce accesso a misurazioni precise del campo magnetico terrestre quando esso viene distorto dai giacimenti minerari sotterranei. Questo significa anche che vari processi biologici nel cuore e nel cervello possono essere ora studiati per mezzo del campo magnetico che producono.” Gioco spremuto La sensibilità di un magnetometro atomico viene definita dal segnale più piccolo di cui esso è in grado di effettuare in modo affidabile la risoluzione, una definizione limitata fondamentalmente dal rumore quantico. Ad esempio, se un laser rileva gli atomi e la loro risposta al campo magnetico, questa sensibilità sarà limitata dal rumore shot, altrimenti conosciuto come la fonte del rumore quantico. Per ridurre questo rumore shot, e quindi migliorare la sensibilità magnetica, è possibile utilizzare le tecniche ottiche quantistiche conosciute come squeezing, proprio quello che ha fatto AQUMET. “La nostra ricerca ha dimostrato i primi miglioramenti nella sensibilità magnetica dovuti allo squeezing, sia lo squeezing della luce, dove il rumore shot viene ridotto, che lo squeezing del rumore quantico atomico,” spiega Mitchell. “Ciò che abbiamo scoperto è che il rumore quantico negli atomi è significativamente differente rispetto al rumore quantico nella luce e che, comprendendo questo, siamo in grado di identificare diversi nuovi stati squeezed, inclusi gli stati macroscopici di singoletto e gli stati planari squeezed.” Secondo Mitchell, lo stato planare squeezed risulta particolarmente interessante dato che ha mostrato di ridurre il rumore quantico in un modo che migliora la sensibilità dei sensori più complessi, inclusi i dispositivi per imaging a risonanza magnetica che devono essere in grado di rilevare simultaneamente molte proprietà atomiche. Giusto in tempo La ricerca di AQUMET si è dimostrata molto tempestiva. “Studiando i limiti quantistici di questo rilevamento atomico e sviluppando nuovi metodi per superare i limiti consueti del rumore quantico in questi sensori, il progetto ha gettato le fondamenta per l’utilizzo delle tecnologie del rilevamento quantistico in un’ampia gamma di iniziative e settori,” afferma Mitchell. “Tra queste vi è il suo ruolo nella imminente iniziativa faro dell’UE sulle tecnologie quantistiche e nel consentire alle tecnologie di rilevamento di apportare benefici alla ricerca medica.” Anche se il progetto è adesso concluso, i ricercatori portano avanti i loro sforzi per superare i limiti fondamentali del rilevamento atomico applicando il sistema sviluppato nell’ambito di AQUMET. Inoltre, le conoscenze acquisite in AQUMET vengono ora applicate a nuovi sistemi fisici, inclusi i magnetometri atomici su piccola scala usati per rilevare i campi biomagnetici, e i nuovi stati squeezed scoperti da AQUMET sono adesso studiati per essere applicati ad altre tecnologie avanzate come ad esempio gli orologi atomici.
Parole chiave
AQUMET, fisica quantistica, rilevamento atomico, tecnologie quantistiche, tecnologie di rilevamento
