Nel laboratorio di Ania Jayich presso l'Università della California a Santa Barbara, il diamante sintetico sta rivoluzionando il campo delle tecnologie quantistiche. Non si tratta dei diamanti preziosi che conosciamo, ma di cristalli creati in laboratorio e ingegnerizzati con difetti specifici che si comportano come sensori quantistici ultrasensibili. La ricercatrice Lillian Hughes ha recentemente dimostrato come sia possibile organizzare questi difetti in configurazioni bidimensionali che sfruttano l'entanglement quantistico, aprendo scenari applicativi che spaziano dalla medicina alla scienza dei materiali.
L'analogia con la risonanza magnetica nucleare aiuta a comprendere il principio di funzionamento. Come una risonanza magnetica sfrutta le proprietà magnetiche dei protoni per creare immagini del corpo umano, i sensori basati sul diamante utilizzano i cosiddetti centri azoto-vacanza per rilevare campi magnetici microscopici. Questi difetti consistono in un atomo di azoto che sostituisce un atomo di carbonio nella struttura cristallina, affiancato da uno spazio vuoto dove dovrebbe esserci un altro atomo di carbonio.
Il vero salto tecnologico descritto in tre pubblicazioni scientifiche recenti riguarda la capacità di controllare non solo singoli difetti, ma interi ensemble bidimensionali di essi. Hughes è riuscita a creare configurazioni in cui i centri azoto-vacanza sono disposti in strati densi e bidimensionali, con orientamenti progettati per massimizzare le interazioni tra loro. Questa disposizione ingegnerizzata permette di sfruttare comportamenti collettivi impossibili da ottenere con sensori isolati o non interagenti.
La chiave del vantaggio quantistico sta in un fenomeno chiamato "spin squeezing", traducibile come "compressione dello spin". Per spiegarlo, Jayich utilizza un'immagine efficace: è come cercare di misurare un'ameba con un righello che ha solo tacche ogni centimetro. Le tacche rappresentano l'ampiezza del rumore intrinseco alla misura. Attraverso la compressione quantistica, si "schiaccia" il righello creando graduazioni più fini, permettendo misurazioni più precise di fenomeni molto più piccoli.
Un secondo approccio descritto nelle ricerche prevede invece l'amplificazione del segnale senza aumentare il rumore di fondo. Continuando con la metafora dell'ameba, questa tecnica equivale a ingrandire l'organismo stesso in modo che diventi misurabile anche con un righello a graduazione grossolana. Entrambi i metodi superano quello che i fisici chiamano limite quantistico standard, una barriera fondamentale che limita la precisione delle misurazioni classiche.
Il vantaggio dell'utilizzo di materiali allo stato solido come il diamante rispetto ai sistemi atomici in fase gassosa è notevole dal punto di vista pratico. I sensori atomici, come quelli utilizzati nei sistemi GPS, richiedono apparecchiature ausiliarie ingombranti come camere a vuoto e numerosi laser per funzionare. Al contrario, un sensore basato sul diamante può essere posizionato a distanze nanometriche da campioni biologici o materiali da studiare, rendendo possibile l'imaging ad alta risoluzione spaziale di proteine o altri sistemi complessi.
Le applicazioni potenziali spaziano dall'analisi di sistemi biologici allo studio di nuovi materiali elettronici, superconduttori o magnetici. La risonanza magnetica nucleare, tecnica già ampiamente utilizzata, si basa sulla rilevazione di campi magnetici minuscoli provenienti dagli atomi costituenti dei campioni biologici. I sensori quantistici al diamante potrebbero portare questa capacità diagnostica a livelli di sensibilità e risoluzione spaziale precedentemente irraggiungibili.
Le proprietà degli spin dei centri azoto-vacanza sono note fin dagli anni Settanta, quando fu inventata la risonanza magnetica. Ciò che rende questi difetti particolarmente preziosi è la lunga durata dei loro stati di spin, caratteristica fondamentale per il loro utilizzo come sensori. Lo spin si accoppia al campo magnetico che si vuole misurare, fungendo da antenna quantistica estremamente sensibile.
Nonostante i progressi significativi, rimangono sfide tecniche da superare prima di realizzare applicazioni pratiche su larga scala. La principale riguarda il controllo della posizione esatta dei difetti nel piano bidimensionale. Attualmente, i centri azoto-vacanza si incorporano nella struttura cristallina in modo relativamente casuale all'interno di uno strato. Il gruppo di Jayich sta lavorando per creare vere e proprie griglie regolari, con ciascun difetto posizionato a una distanza specifica dagli altri, una configurazione che massimizzerebbe ulteriormente il vantaggio quantistico nelle misurazioni.
Hughes, che ha conseguito il dottorato e si appresta a iniziare un postdottorato al California Institute of Technology, ha dimostrato per la prima volta la realizzazione di un vantaggio quantistico metrologico in un sistema allo stato solido. Questo traguardo, documentato nella rivista Physical Review X ad aprile e con due ulteriori pubblicazioni su Nature a ottobre, rappresenta un passo importante verso la prossima generazione di tecnologie quantistiche applicabili al mondo reale.