I sensori quantistici possono offrire opportunità completamente nuove

La fisica quantistica non è nuova, ma solo di recente siamo diventati in grado di controllare i fenomeni quantistici e quindi utilizzarli per sviluppare nuove tecnologie. Una delle aree in cui la tecnologia quantistica è più matura e pronta per l’applicazione è sensori quantisticiin cui i fenomeni quantistici possono aiutare a rendere i sensori ultrasensibili, consentendo loro di vedere i dettagli e misurare quantità molto più piccole di quanto possibile con i sensori attualmente esistenti.

Diamanti difettosi come sensori quantistici

Alexander Huck è uno dei ricercatori del DTU che da più di dieci anni studia l’uso dei diamanti come sensori quantistici. Questi sono diamanti artificiali con un difetto intrinseco: il centro NV. Il centro NV si comporta come uno spin quantomeccanico in grado di registrare campi magnetici deboli e altri parametri fisici.

Alexander Huck ha utilizzato i diamanti quantici per misurare materiale biologico, tra le altre applicazioni. Nel 2020, ha dimostrato, insieme a un gruppo di ricerca multidisciplinare, che era possibile misurare l’attività elettrica nei muscoli utilizzando un sensore quantico a diamante NV.

“Il vantaggio di usare i diamanti per misurare il materiale biologico è che non abbiamo bisogno di collegare elettrodi al materiale per misurare un segnale. Possiamo invece posizionare un diamante, in questo caso a forma di piccola lastra piatta di 1-2 mm x 1-2 mm, vicino al materiale biologico senza ‘danneggiarlo’ e quindi misurare i segnali utilizzando campi magnetici. Recentemente siamo riusciti a eseguire misurazioni simili dell’attività cerebrale dal tessuto nei topi, che è una nuova importante pietra miliare”, afferma Alexander Huck, professore associato presso DTU Physics.

A suo avviso, i sensori quantistici svolgeranno un ruolo importante nel lavoro per acquisire maggiori conoscenze sul cervello e sulle reti neurali, contribuendo infine sia a una migliore diagnosi che a cure per i disturbi cerebrali.

Conoscenza delle molecole e della fotosintesi

Anche Alexander Huck ha recentemente iniziato a utilizzare sensori a diamante NV su scale di lunghezza molto più piccole delle cellule e dei tessuti dei muscoli e del cervello. Vuole provare a utilizzare il sensore quantistico per acquisire una maggiore conoscenza delle molecole. L’attenzione generale è sui processi elettronici su scala molecolare, come la fotosintesi, di cui vuole saperne di più osservando una o poche molecole alla volta.

“Se riusciamo a capire come funziona la fotosintesi in dettaglio, potrebbe, a lungo termine, permetterci di copiare il modo in cui le piante raccolgono energia dal sole e la convertono in sostanze chimiche immagazzinabili e trasportabili. Gran parte della nostra conoscenza attuale si basa su analisi di grandi gruppi di molecole, e questo può oscurare alcuni dettagli. Voglio acquisire conoscenze su di loro osservando le molecole individualmente”, afferma Alexander Huck.

Maggiore conoscenza delle cellule umane

Anche Kirstine Berg-Sørensen utilizza la tecnologia quantistica per i sensori biologici, ma con diamanti più piccoli. Il suo obiettivo è ottenere una maggiore conoscenza delle nostre cellule.

“Negli ultimi anni, i ricercatori di biologia cellulare hanno scoperto che le cellule non sono così eterogenee come pensavamo. Le singole cellule si sviluppano in modo diverso, anche se provengono dallo stesso punto di partenza. Questo vale, ad esempio, per le cellule tumorali, ma anche per le cellule immunitarie, che è la mia area di interesse. È importante acquisire conoscenze più approfondite su quali cellule sono rispettivamente responsabili dello sviluppo e del controllo delle malattie”, afferma Kirstine Berg-Sørensen, professore associato presso DTU Health Tech.

Kirstine Berg-Sørensen ha lavorato con trappole ottiche in laboratorio per gran parte della sua carriera. In questo lavoro, un raggio laser altamente focalizzato di luce infrarossa viene utilizzato per esaminare il materiale biologico. In questo modo la luce non riscalda il materiale e quindi non crea alterazioni in relazione alle analisi.

“Circa sei anni fa, attraverso il lavoro di Alexander Huck, sono venuto a conoscenza dei nanodiamanti, che consentono di registrare campi magnetici deboli, ad esempio nei tessuti umani. Questo mi ha dato l’idea di studiare le cellule combinando i nostri metodi, e ora stiamo collaborando su questo”, dice Kirstine Berg-Sørensen.

Combinazione di due metodi

Le cellule prima assorbono minuscoli nanodiamanti che hanno un diametro di circa 120 nanometri, 500 volte più piccolo dello spessore di un capello umano. I ricercatori usano la luce laser per leggere ciò che misura il diamante.

A lungo termine, l’obiettivo è sviluppare uno strumento di misurazione avanzato per materiale biologico basato sui due metodi. Il vantaggio sia dei diamanti che della trappola ottica è che sono biocompatibili, il che significa che non interagiscono con il materiale biologico e quindi non “disturbano” nulla in relazione alla misurazione. Inoltre, la loro sensibilità magnetica può funzionare a temperatura ambiente, e quindi non richiede temperature estremamente basse inferiori a meno 150 gradi, a differenza di altri tipi di sensori quantistici.

“Abbiamo già dimostrato che possiamo far sì che le cellule assorbano i nanodiamanti. Ora dobbiamo perfezionare il nostro metodo per ottenere pinzette ottiche, un raggio laser, per “spingere” il diamante all’interno della cella, in modo da poter misurare diverse parti della cella. Attualmente ci stiamo lavorando”, afferma Kirstine Berg-Sørensen.

E-MAT comprende una gamma di strumenti che, in condizioni controllate, consentono lo sviluppo e la sintesi di nuovi materiali. Credito immagine: DTU

Sviluppo di nuovi sensori quantistici

Sebbene i sensori quantistici siano già in grado di eseguire misurazioni più accurate rispetto ai sensori ordinari, si sta lavorando per migliorarli ulteriormente, ad esempio in una collaborazione tra ricercatori che lavorano allo sviluppo di nuovi materiali, e dove Alexander Huck contribuisce con la sua esperienza nei diamanti NV e nei sensori quantistici.

“Il nostro obiettivo è esaminare sistematicamente se possiamo trovare un nuovo sensore che sia piccolo, biocompatibile, in grado di funzionare a temperatura ambiente e in grado di misurare i campi magnetici nel cervello degli organismi viventi. Questo ci consentirà di ampliare significativamente la nostra conoscenza dei processi nel cervello. Stiamo progettando di fabbricare nuovi sensori utilizzando nuovi materiali 2D su misura che ci consentano di controllare i difetti a livello atomico”, spiega Nini Pryds, professore presso DTU Energy, che è uno scienziato dei materiali e responsabile del lavoro.

L’obiettivo del progetto specifico è sviluppare un sensore quantistico completamente nuovo basato su materiali 2D che sarà più sensibile di un diamante.

“Per creare piccoli sensori migliori, meno costosi e più pratici, esamineremo se è possibile utilizzare tipi completamente diversi di sensori magneticamente sensibili basati su materiali 2D. Con il nuovo sensore, il nostro obiettivo futuro è essere in grado di offrire una migliore rilevazione in una fase precoce, prima che le malattie cerebrali abbiano il tempo di svilupparsi ulteriormente”, afferma Nini Pryds.

Lo sviluppo del nuovo sensore beneficerà anche di una nuova struttura di ricerca infrastrutturale, presso DTU, E-MAT. Questo è il primo del suo genere nel Nord Europa, per la sintesi di una nuova generazione di materiali quantistici ed esiste solo in pochi posti al mondo. E-MAT è costituito da una cella a guanti con ambiente controllato che comprende un gruppo di apparecchiature chiave, inclusi metodi di deposizione all’avanguardia che consentono il controllo di superfici e interfacce su scala atomica. Questa infrastruttura consentirà non solo di prevedere teoricamente nuovi materiali, ma anche di realizzarli effettivamente e di testarli. Ciò rende i ricercatori fiduciosi che riusciranno a sviluppare un nuovo sensore quantistico nei prossimi anni.

Test di sensori quantistici

Alcuni sensori quantistici sono già arrivati ​​così avanti nel loro sviluppo che il loro utilizzo è in fase di test nella vita reale. Ciò include un accelerometro quantistico, che in futuro potrebbe sostituire il sistema GPS per la navigazione.

Nell’attuale versione di prova, il sensore quantistico è una grande scatola che occupa molto spazio quando viene montata su un aeroplano e inviata in un viaggio sopra la Groenlandia per navigare attraverso il campo gravitazionale terrestre. Uno degli obiettivi sarà ridurre il sensore quantistico alle dimensioni di un chip in modo che, in futuro, possa essere utilizzato ovunque, su aerei, barche, edifici, sotto terra e sott’acqua. Ciò garantirà l’indipendenza dal sistema GPS, che può essere inceppato o falsificato e che rappresenta una minaccia nell’attuale situazione geopolitica.

Fonte: DTU