Nou design al buclelor pentru senzori cuantici ar putea îmbunătăți măsurătorile magnetice în medicină și comunicații
Inginerii specializați în domeniul cuantic de la Universitatea Adelaide au descoperit o metodă nouă de îmbunătățire a unora dintre cei mai sensibili senzori de câmp electromagnetic din lume, o inovație care ar putea contribui la dezvoltarea imagisticii cerebrale, a diagnosticelor medicale, a tehnologiei comunicațiilor și a dispozitivelor cuantice de generație următoare.
Cercetarea, publicată în Physical Review Applied, este coordonată de Grupul de Tehnologie Cuantică și Nano (QuaNTeG) al universității și rezolvă o problemă de lungă durată care a limitat performanța dispozitivelor superconductoare de interferență cuantică, cunoscute sub denumirea de SQUID.
SQUID-urile sunt printre cei mai sensibili detectori de câmp magnetic creați vreodată. Ele sunt utilizate în aplicații specializate, inclusiv în sisteme de imagistică cerebrală, instrumente științifice și senzori avansați de radiofrecvență. Deși pot detecta variații extrem de mici ale câmpului magnetic, aceste dispozitive s-au confruntat cu dificultăți în a identifica cu precizie momentul în care câmpul magnetic este exact zero.
Până în prezent, inginerii au abordat această problemă prin construirea unor circuite complexe care conțin sute sau chiar mii de bucle superconductoare de dimensiuni diferite. Deși eficientă, această abordare reduce sensibilitatea generală a dispozitivului.
Buclele simple evită un compromis de proiectare
Echipa de la Adelaide, din care fac parte doctoranzii Ross Monaghan și Jonathan Marenkovic, a descoperit o soluție mai simplă. În loc să realizeze bucle de dimensiuni diferite, cercetătorii le-au păstrat pe acestea la aceeași dimensiune, dar au înlocuit strategic unele dintre ele cu „bucle simple”, care nu conțin joncțiuni Josephson, o componentă cheie a dispozitivelor SQUID tradiționale.
Aceste bucle simple modifică modul în care semnalele magnetice se propagă prin circuit, creând ceea ce cercetătorii numesc o „dispersie sintetică a ariei”. Rezultatul este că senzorul se comportă ca și cum ar conține numeroase bucle de dimensiuni diferite, fără a fi nevoie de ele.
Cercetătorul principal Giuseppe Tettamanzi, profesor asociat la Școala de Inginerie Chimică din cadrul Universității Adelaide, a declarat că descoperirea ar putea ajuta la deblocarea întregului potențial al tehnologiilor de detectare cuantică.
„Timp de decenii, oamenii de știință au știut cum să determine aceste dispozitive să identifice un câmp magnetic absolut, dar acest lucru necesita compromisuri de proiectare care le reduceau performanța”, a spus Tettamanzi. „Munca noastră arată că există o altă cale. Prin introducerea unor bucle simple poziționate cu atenție, putem obține același rezultat păstrând condițiile necesare pentru sensibilitate maximă.”
Cercetătorii au dezvoltat teoria din spatele acestei abordări și au confirmat apoi efectul experimental, folosind circuite superconductoare fabricate care funcționează la temperaturi foarte scăzute. Rezultatele au arătat că noul design s-a comportat exact conform predicțiilor.
Perspective pentru medicină și comunicații
Tettamanzi a afirmat că acest avans ar putea beneficia în cele din urmă o gamă largă de aplicații.
„Senzorii superconductori cuantici de înaltă sensibilitate au un potențial enorm în medicină, comunicații, industrie și apărare”, a spus el. „Cu cât ne apropiem mai mult de limita cuantică fundamentală a detectării, cu atât putem extrage mai multe informații din semnale foarte slabe.”
Aplicațiile viitoare potențiale includ sisteme îmbunătățite de monitorizare cerebrală, receptoare de radiofrecvență mai sensibile, tehnologii de comunicații cu zgomot redus și platforme avansate de detectare electromagnetică. Descoperirea ar putea, de asemenea, să facă viitoarele dispozitive mai ușor și mai ieftin de fabricat, deoarece noua abordare elimină necesitatea de a produce matrice mari care conțin multe dimensiuni diferite de bucle.
Deși sunt necesare teste suplimentare înainte ca tehnologia să poată fi comercializată, cercetătorii consideră că această descoperire aduce senzorii practici limitați cuantic semnificativ mai aproape de realitate. Conceptul face obiectul unei cereri de brevet internațional, iar studii suplimentare sunt deja în curs pentru a îmbunătăți performanța dispozitivului și a explora noi aplicații.
