Una misurazione quantistica insensibile al rumore

23/06/2020

Quando si misura una grandezza, una delle difficoltà che si incontrano è quella di isolare la misurazione dal rumore di fondo, senza però perdere in sensibilità. Per cercare di risolvere questo problema, il gruppo di ottica quantistica dell’INRIM ha sviluppato un protocollo per misure di temperatura poco influenzato dal rumore, in collaborazione con l'Università di Torino e nell'ambito del progetto europeo Pathos. Il protocollo si basa su una tecnica innovativa di quantum sensing, nuovo campo di ricerca dedicato alla progettazione di sensori che sfruttano le proprietà dei sistemi quantistici per migliorare le capacità di misura.

La tecnica, descritta in uno studio pubblicato su Physical Review Applied, sfrutta le proprietà di un particolare difetto della struttura del diamante, detto centro azoto-vacanza. Nel reticolo ordinato di atomi di carbonio che costituisce la struttura il diamante, un atomo di carbonio è mancante e un altro, nel vertice adiacente, è sostituito da un atomo di azoto. A causa della presenza di questo difetto, se illuminato da una luce verde il diamante emette a sua volta radiazione luminosa.

L'intensità di questa radiazione luminosa può essere controllata applicando un campo elettromagnetico alle frequenze delle microonde. A una determinata frequenza, la radiazione emessa diventa improvvisamente poco intensa: questa frequenza, detta frequenza di risonanza, è influenzata dal variare della temperatura. Le misure di temperatura effettuate in laboratorio utilizzano questa proprietà, tracciando l’andamento con la temperatura della frequenza di risonanza del centro azoto-vacanza.

Il metodo sviluppato dai ricercatori INRiM supera i limiti delle tecniche precedenti. Applicando a un campione di diamante con un centro di azoto-vacanza un campo magnetico della giusta intensità e direzione, è possibile amplificare la differenza fra il picco minimo di intensità luminosa emessa dal diamante e quello massimo, ottenendo una misura molto sensibile alle variazioni di temperatura. In più, la tecnica permette di “proteggere” la misura dal rumore magnetico, proveniente da apparecchiature o dal campo magnetico terrestre.

I valori di temperatura rilevati potrebbero migliorare, in prospettiva, anche fino a un ordine di grandezza rispetto ai metodi precedenti, fornendo misure sempre più precise per applicazioni che vanno dalla nanotecnologia alla biofisica.

Ultima modifica: 23/06/2020 - 12:37