Intelligente kwantumsensor meet magneetvelden met een honderd keer grotere nauwkeurigheid

Veel technologie om ons heen maakt gebruik van sensoren die nauwkeurig een magneetveld kunnen meten. Zo meten MRI-scanners in ziekenhuizen de magnetische velden van spins in ons lichaam, waardoor het mogelijk is om beelden te maken met een resolutie van ongeveer een tiende van een millimeter. Magneetveldsensoren worden ook gebruikt om informatie te lezen op harde schijven in computers. Tegenwoordig is het zelfs mogelijk om de magneetvelden van individuele moleculen te meten.

Intelligente kwantumsensoren

De ultieme limiet in ruimtelijke resolutie kan worden bereikt door de spin van een enkel elektron te gebruiken als sensor. Een enkele spin is een soort minuscule kwantum MRI-scanner, die onderzoekers extreem dicht bij bijvoorbeeld een biologisch molecuul kunnen brengen om zo de magneetvelden van spins in het molecuul te meten.

In zo’n ‘kwantum-MRI-scanner’ wordt een schatting gemaakt van het magneetveld door een serie metingen op de elektronspin uit te voeren. Normaal gesproken wordt deze serie uitgevoerd met vooraf bepaalde instellingen van de sensor. De Delftse onderzoekers hebben deze methode verbeterd door een ‘ intelligente’ kwantumsensor te ontwerpen die zichzelf automatisch aanpast, waardoor hij altijd werkt met de optimale instellingen. Deze intelligente sensor verzamelt tijdens de serie metingen informatie over het magneetveld, gebaseerd op eerdere meetuitkomsten en rekent direct de optimale instellingen voor volgende metingen uit.

Foutjes in diamant

De sensor bestaat uit de spin van een enkel elektron dat gevangen zit in een ‘foutje’ in de diamant. In deze imperfectie, ook wel bekend als het stikstof-holte-centrum, zit een enkel elektron opgesloten dat de onderzoekers zeer nauwkeurig met laser- en microgolfpulsen kunnen controleren. De magnetische ruis in de diamanten chip wordt sterk gereduceerd door ultra-zuivere kunstmatige diamant te gebruiken, in plaats van de natuurlijke variant. Snelle elektronica past de meetinstellingen van de sensor in real-time aan.

De resultaten van de onderzoeksgroep van de TU Delft verschijnen op 16 november in Nature Nanotechnology. De onderzoekers laten zien dat de intelligente kwantumsensor in dezelfde tijd een honderd keer kleinere fout maakt in het bepalen van het magneetveld, vergeleken met eerdere experimenten. Door de instellingen van de sensor direct aan te passen, werkt de sensor altijd onder optimale omstandigheden, waardoor de wetenschappers het aantal metingen dat nodig is om een magneetveld te bepalen reduceren van meer dan zeshonderd tot tweehonderd, waardoor de sensor veel sneller wordt.

Lage temperaturen

Om de diamantchip optimaal te kunnen controleren, koelden de onderzoekers de chip in dit experiment af tot een temperatuur dicht bij het absolute nulpunt (rond de – 269 °C). De onderzoekers verwachten dat hun vindingen ook toepasbaar zijn op kwantumsensoren die op kamertemperatuur werken, wat noodzakelijk is voor veel praktische toepassingen. Intelligente kwantumsensoren kunnen het in de toekomst mogelijk maken om snel de structuur van enkele moleculen te ontrafelen, wat waardevol is voor medische diagnostiek en de ontwikkeling van medicijnen. Ook kunnen ze worden ingezet om zwakke magneetvelden in kaart te brengen die worden gemaakt door stromen in micro- en nano- elektronica, waardoor chipontwerpers elektronische circuits mogelijk nog kleiner en geavanceerder kunnen maken. 

‘Optimized kwantum sensing with a single electron spin using real-time adaptive measurements’, C. Bonato, M.S. Blok, H.T. Dinani, D.W. Berry, M.L. Markham, D.J. Twitchen en R. Hanson, Nature Nanotechnology. DOI: 10.1038/nnano.2015.261.