Ricercatori Princeton Ottengono Sensibilità 40x Maggiore con Sensore Quantistico a Diamante Entangled

Un progresso significativo nella fisica della materia condensata è stato annunciato dai ricercatori dell'Università di Princeton, che hanno sviluppato un sensore quantistico basato su diamante con una sensibilità quadruplicata rispetto alle metodologie precedenti. Questa tecnica pionieristica, dettagliata in una pubblicazione su Nature il 26 novembre 2025, offre una finestra senza precedenti sui fenomeni magnetici su scala nanometrica, rivelando fluttuazioni che sfuggono agli strumenti convenzionali.

La ricerca è guidata da Nathalie de Leon, professoressa associata a Princeton, e trae origine dal lavoro teorico avviato da Jared Rovny durante la pandemia di COVID-19. Il cuore di questa innovazione risiede nell'ingegnerizzazione di difetti specifici all'interno di un diamante coltivato in laboratorio, noti come centri di vacanza di azoto (NV). Il passo cruciale è stato l'impianto di due centri NV in una prossimità estremamente ridotta, circa 10 nanometri l'uno dall'altro, consentendo loro di interagire attraverso il meccanismo della correlazione quantistica nota come entanglement.

Questa sincronizzazione degli elettroni dei due atomi di azoto permette al sensore di triangolare con maggiore precisione le firme magnetiche nel rumore ambientale. Questo approccio supera le limitazioni dei metodi precedenti, che richiedevano complesse rilevazioni di correlazione, come descritto in un articolo del 2022 su Science che analizzava centri non entangled. La creazione di questa configurazione a due centri è stata ottenuta proiettando molecole di azoto che viaggiavano a oltre 30.000 piedi al secondo sul diamante, provocando la rottura e l'incorporazione di due atomi di azoto a quella distanza critica.

La capacità di osservare direttamente fenomeni magnetici in spazi più piccoli della lunghezza d'onda della luce è fondamentale per far progredire la comprensione di materiali avanzati come il grafene e i superconduttori. I superconduttori, in particolare, sono essenziali per tecnologie future quali linee elettriche a perdita zero e sistemi di levitazione magnetica. Philip Kim, un fisico sperimentale di Harvard non direttamente coinvolto nello studio, ha sottolineato l'importanza del risultato, notando che le tecniche precedenti erano confinate a reticoli atomici costruiti con cura, mentre questo nuovo metodo consente di sondare direttamente materiali reali.

Il lavoro di de Leon e Rovny si inserisce in un filone di sviluppo di metodi di rilevamento basati su diamante studiato da circa cinque anni. Un vantaggio chiave è la semplicità operativa: de Leon ha affermato che il nuovo sistema consente una singola misurazione standard, eliminando le difficoltà intrinseche ai metodi di rilevamento basati sulla correlazione che richiedevano procedure più macchinose. L'impiego di difetti NV come sensori quantistici non è un concetto nuovo, con radici che risalgono allo sviluppo della risonanza magnetica negli anni '70, ma l'uso controllato dell'entanglement in sistemi allo stato solido rappresenta un salto metodologico.

Altri gruppi di ricerca, come quello del Cnr-Ifn a Milano, hanno esplorato l'uso dei centri NV per bit quantistici, evidenziando il loro esteso tempo di coerenza per una computazione più efficiente e la sensoristica nanometrica per l'imaging biomedico. La sensibilità raggiunta da Princeton, 40 volte superiore, sposta l'asticella per la misurazione di campi magnetici estremamente deboli su scale spaziali senza precedenti, aprendo nuove possibilità per la fisica sperimentale.