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Nanoscale magnetic imaging with quantum sensors

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Minuscoli sensori magnetici promettono scoperte e approfondimenti di grande rilievo

Si può apprendere molto da ciò che è visibile a occhio nudo ma la strumentazione e i progressi tecnici hanno ampliato enormemente questa visione. Prepariamoci ad aprire gli occhi, poiché gli scienziati finanziati dall’UE hanno lanciato un microscopio quantistico per l’immaginografia a risonanza magnetica dei materiali, con una risoluzione senza precedenti.

Tecnologie industriali

L’osservazione e la sperimentazione ci informano sul mondo fisico che ci circonda. Dal telescopio al microscopio a interazione atomica (atomic force microscopes, AFM), la strumentazione ci ha consentito di scoprire la magia che avviene troppo lontano da noi o in una scala troppo piccola per essere osservata diversamente. Oggi, i ricercatori europei di Qnami, una start-up svizzera, hanno sviluppato nanosensori quantistici all’avanguardia. I nanosensori consentono la «visualizzazione» di campioni in modo non invasivo, con la risoluzione spaziale più elevata presente sul mercato. Il finanziamento dell’UE del progetto NanoMAGIQ ha comportato una maggiore comprensione del mercato, che ha favorito il posizionamento del gruppo per ulteriori finanziamenti, ottimizzazione tecnologica e lancio del prodotto.

I diamanti sono i migliori amici di un sensore quantistico

Secondo Mathieu Munsch, amministratore delegato di Qnami e coordinatore del progetto, «A differenza dell’informatica quantistica, che richiede di ridurre al minimo l’influenza dell’ambiente (ad esempio, lavorando nel vuoto a temperature criogeniche), il rilevamento quantistico sfrutta l’estrema sensibilità dei sistemi quantistici al loro ambiente per effettuare misurazioni molto precise». Sulla scia del lavoro d’avanguardia del Laboratorio di rilevamento quantistico nel dipartimento di Fisica dell’Università di Basilea, Qnami si è concentrata su un’eccezionale tecnologia di rilevamento quantistico utilizzando centri azoto-lacuna (nitrogen-vacancy, NV) nel diamante, minuscoli difetti che possono catturare un singolo elettrone. La manipolazione e la misurazione precise dello stato di un singolo elettrone consentono la misurazione altamente sensibile di campi elettrici e magnetici. Tramite processi di micro-fabbricazione standard, Qnami taglia i diamanti e li rende funzionali per creare sensori quantistici magnetici. Come spiega Munsch, «Integrando i sensori quantistici in un AFM, consentiamo immagini dei campioni a una risoluzione estremamente elevata, combinando topografia e panorami magnetici. Attualmente, la nostra risoluzione laterale è di circa 50 nm e puntiamo a raggiungere i 10 nm di risoluzione». Che è di poco inferiore alla risoluzione del DNA, circa 2,5 nm di diametro.

I nanosensori magnetici stanno attirando l’attenzione

Secondo Munsch, «Oltre a disporre della risoluzione spaziale più elevata sul mercato, la soluzione di immaginografia a risonanza magnetica di Qnami non è invasiva, permettendo agli scienziati di studiare i materiali più fragili e i progetti più delicati in modo più dettagliato che mai». Inoltre, vengono estratti valori esatti in modo semplice, ottenendo risultati quantitativi che sono riproducibili. Gli ingegneri e gli scienziati che lavorano nella spintronica sono i primi utilizzatori della tecnologia. Munsch spiega: «Dagli anni ‘90, tutte le unità disco rigido utilizzano la tecnologia spintronica e, in futuro, questo potrebbe avvenire per ogni microprocessore per computer. Il nostro obiettivo è aiutare questi ingegneri e scienziati con informazioni straordinarie e quantitative sui loro dispositivi così da poter creare, progettare e fornire l’elettronica del futuro. La nostra collaborazione con Horiba per sviluppare il primo prototipo va in questa direzione». Qnami si sta preparando a una rapida penetrazione del mercato, pianificando un’ulteriore espansione nel 2020: la società sta reclutando personale per l’inserimento anche in ambiti di progettazione, vendita, marketing, sviluppo commerciale e le donne sono fortemente incoraggiate a candidarsi. Conclude Munsch: «Con NanoMAGIQ, diamo vita a un progetto con obiettivi ambiziosi. L’interazione con i nostri futuri clienti è stata molto forte, ha contribuito a dare forma alle nostre idee più di quanto avessimo previsto e ha riconfermato la nostra convinzione di soddisfare una domanda importante». Prepariamoci all’ondata quantistica e alle scoperte su materiali e dispositivi prima impossibili da raggiungere.

Parole chiave

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