Los sensores cuánticos pueden ofrecer oportunidades completamente nuevas

La física cuántica no es nueva, pero solo recientemente hemos sido capaces de controlar los fenómenos cuánticos y, por lo tanto, usarlos para desarrollar nuevas tecnologías. Una de las áreas en las que la tecnología cuántica está más madura y lista para su aplicación es sensores cuánticosdonde los fenómenos cuánticos pueden ayudar a que los sensores sean ultrasensibles, lo que les permite ver detalles y medir cantidades mucho más pequeñas de lo que es posible con los sensores existentes actualmente.

El laboratorio de Kirstine Berg-Sørensen. Crédito de la imagen: Jesper Scheel

Diamantes defectuosos como sensores cuánticos

Alexander Huck es uno de los investigadores de DTU que investiga el uso de diamantes como sensores cuánticos durante más de diez años. Estos son diamantes artificiales con un defecto incorporado: el centro NV. El centro NV se comporta como un giro mecánico cuántico que puede registrar campos magnéticos débiles y otros parámetros físicos.

Alexander Huck ha utilizado diamantes cuánticos para medir material biológico, entre otras aplicaciones. En 2020, demostró, junto con un equipo de investigación multidisciplinario, que era posible medir la actividad eléctrica en los músculos utilizando un sensor cuántico de diamante NV.

“La ventaja de usar diamantes para medir material biológico es que no necesitamos colocar electrodos en el material para medir una señal. En su lugar, podemos colocar un diamante, en este caso en forma de una pequeña placa plana de 1-2 mm x 1-2 mm, cerca del material biológico sin ‘dañarlo’ y luego medir las señales usando campos magnéticos. Recientemente logramos realizar mediciones similares de la actividad cerebral del tejido en ratones, lo cual es un nuevo hito importante”, dice Alexander Huck, profesor asociado de DTU Physics.

En su opinión, los sensores cuánticos jugarán un papel importante en el trabajo para obtener más conocimiento sobre el cerebro y las redes neuronales, contribuyendo eventualmente tanto a un mejor diagnóstico como a la cura de los trastornos cerebrales.

Conocimiento de moléculas y fotosíntesis.

Alexander Huck recientemente también comenzó a usar sensores de diamante NV en escalas de longitud mucho más pequeñas que las células y el tejido de los músculos y el cerebro. Quiere intentar usar el sensor cuántico para obtener un mayor conocimiento sobre las moléculas. El enfoque general está en los procesos electrónicos a escala molecular, como la fotosíntesis, sobre la cual quiere aprender más al observar una o unas pocas moléculas a la vez.

“Si podemos entender cómo funciona la fotosíntesis en detalle, a largo plazo, puede permitirnos copiar cómo las plantas recolectan energía del sol y la convierten en sustancias químicas almacenables y transportables. Gran parte de nuestro conocimiento actual se basa en análisis de grandes grupos de moléculas, y esto puede oscurecer algunos de los detalles. Quiero adquirir conocimientos sobre ellos observando las moléculas individualmente”, dice Alexander Huck.

Mayor conocimiento sobre las células humanas.

Kirstine Berg-Sørensen también usa tecnología cuántica para sensores biológicos, pero con diamantes más pequeños. Su enfoque está en obtener un mayor conocimiento de nuestras células.

“En los últimos años, los investigadores de biología celular han descubierto que las células no son tan heterogéneas como pensábamos. Las células individuales se desarrollan de manera diferente, a pesar de que provienen del mismo punto de partida. Esto se aplica, por ejemplo, a las células cancerosas, pero también a las células inmunitarias, que es mi área de enfoque. Es importante obtener un conocimiento más profundo sobre qué células son responsables del desarrollo y el control de enfermedades, respectivamente”, dice Kirstine Berg-Sørensen, profesora asociada de DTU Health Tech.

Kirstine Berg-Sørensen ha trabajado con trampas ópticas en el laboratorio durante la mayor parte de su carrera. En este trabajo, se utiliza un rayo láser altamente enfocado de luz infrarroja para examinar el material biológico. De esta forma, la luz no calienta el material y por lo tanto no crea cambios en relación con los análisis.

“Hace unos seis años, a través del trabajo de Alexander Huck, me di cuenta de los nanodiamantes, que permiten registrar campos magnéticos débiles, por ejemplo, en tejido humano. Esto me dio la idea de estudiar las células combinando nuestros métodos y ahora estamos colaborando en esto”, dice Kirstine Berg-Sørensen.

Combinando dos métodos

Las células primero absorben diminutos nanodiamantes que tienen un diámetro de unos 120 nanómetros, 500 veces más pequeños que el grosor de un cabello humano. Los investigadores usan luz láser para leer lo que mide el diamante.

A largo plazo, el objetivo es desarrollar una herramienta de medición avanzada para material biológico basada en los dos métodos. La ventaja tanto de los diamantes como de la trampa óptica es que son biocompatibles, lo que significa que no interactúan con el material biológico y, por lo tanto, no «perturban» nada en relación con la medición. Además, su sensibilidad magnética puede funcionar a temperatura ambiente y, por lo tanto, no requiere temperaturas extremadamente bajas por debajo de los 150 grados bajo cero, a diferencia de otros tipos de sensores cuánticos.

“Ya hemos demostrado que podemos hacer que las células absorban los nanodiamantes. Ahora necesitamos refinar nuestro método para obtener pinzas ópticas, un rayo láser, para ‘empujar’ el diamante alrededor de la celda, de modo que podamos medir varias partes de la celda. Actualmente estamos trabajando en esto”, dice Kirstine Berg-Sørensen.

E-MAT comprende una gama de instrumentos que, en condiciones controladas, permiten el desarrollo y la síntesis de nuevos materiales. Crédito de la imagen: DTU

Desarrollo de nuevos sensores cuánticos

Aunque los sensores cuánticos ya son capaces de realizar mediciones más precisas que los sensores ordinarios, se está trabajando para mejorarlas aún más, por ejemplo, en una colaboración entre investigadores que trabajan para desarrollar nuevos materiales, y donde Alexander Huck contribuye con su experiencia en diamantes NV y sensores cuánticos.

“Nuestro objetivo es examinar sistemáticamente si podemos encontrar un nuevo sensor que sea pequeño, biocompatible, capaz de operar a temperatura ambiente y capaz de medir campos magnéticos en el cerebro de los organismos vivos. Esto nos permitirá ampliar significativamente nuestro conocimiento de los procesos en el cerebro. Estamos planeando fabricar nuevos sensores utilizando nuevos materiales 2D personalizados que nos permitan controlar los defectos a nivel atómico”, explica Nini Pryds, profesor de DTU Energy, científico de materiales y a cargo del trabajo.

El objetivo del proyecto específico es desarrollar un sensor cuántico completamente nuevo basado en materiales 2D que será más sensible que un diamante.

“Para crear sensores pequeños mejores, menos costosos y más prácticos, examinaremos si es posible utilizar tipos completamente diferentes de sensores magnéticamente sensibles basados ​​en materiales 2D. Con el nuevo sensor, nuestro objetivo futuro es poder ofrecer una mejor detección en una etapa más temprana, antes de que las enfermedades cerebrales tengan tiempo de desarrollarse más”, dice Nini Pryds.

El desarrollo del nuevo sensor también se beneficiará de una nueva instalación de investigación de infraestructura, en DTU, E-MAT. Este es el primero de su tipo en el norte de Europa, para la síntesis de nueva generación de materiales cuánticos y solo existe en algunos lugares del mundo. E-MAT consiste en una guantera con un entorno controlado que abarca un grupo de equipos clave que incluyen métodos de deposición de última generación que permiten el control de superficies e interfaces a escala atómica. Esta infraestructura hará posible no solo predecir teóricamente nuevos materiales, sino también fabricar estos materiales y probarlos. Esto hace que los investigadores confíen en que tendrán éxito en el desarrollo de un nuevo sensor cuántico en los próximos años.

Pruebas de sensores cuánticos

Algunos sensores cuánticos ya han avanzado tanto en su desarrollo que se está probando su uso en la vida real. Esto incluye un acelerómetro cuántico, que en el futuro podría sustituir al sistema de navegación GPS.

En la versión de prueba actual, el sensor cuántico es una caja grande que ocupa mucho espacio cuando se monta en un avión y se envía en un viaje sobre Groenlandia para navegar a través del campo gravitatorio de la Tierra. Uno de los objetivos será reducir el sensor cuántico al tamaño de un chip para que, en el futuro, pueda usarse en cualquier lugar, en aviones, barcos, edificios, bajo tierra y bajo el agua. Esto asegurará la independencia del sistema GPS, que puede estar bloqueado o falsificado, y que representa una amenaza en la situación geopolítica actual.

Fuente: DTU