Instituto Nacional de Estándares de EE.UU. desarrolla magnetómetros cuánticos con diamantes para navegación sin GPS

El NIST está trabajando en magnetómetros de centros de vacancia de nitrógeno (NV), sensores cuánticos que miden campos magnéticos usando electrones atrapados dentro de diamantes diminutos, según informó la institución. Estos dispositivos aprovechan el magnetismo cuántico intrínseco de partículas fundamentales como los electrones, conocido como "espín", para realizar mediciones de alta precisión.

Para fabricar un magnetómetro de centros NV, los científicos introducen defectos en la estructura regular de átomos de carbono de un cristal de diamante, según explicó el NIST. El centro de vacancia de nitrógeno consiste en un átomo de nitrógeno que reemplaza un átomo de carbono en la estructura del diamante y una vacancia adyacente donde falta un átomo de carbono. La densidad de estos defectos y los elementos químicos que los forman dan al diamante un color único, razón por la cual se les conoce como "centros de color".

El espín del electrón del centro NV puede estar en uno de varios estados cuánticos de energía, similares a los niveles de energía cuantizados de los electrones en los átomos, según el NIST. La diferencia de energía entre dos estados de espín depende de la magnitud y dirección del campo magnético en el que se encuentra el diamante, lo que permite que el centro NV funcione como sensor magnético.

Para realizar una medición, los científicos colocan primero un diamante con defectos de centros NV dentro del campo magnético de interés, según describió la institución. Luego iluminan el diamante con luz verde, lo que coloca los centros NV en un estado de espín cuántico específico y hace que emitan luz roja, que se mide usando un fotodetector. A continuación, aplican energía de microondas de frecuencia variable a los espines de los centros NV. Cuando la energía de microondas coincide con el espaciado de energía entre estados de espín, el centro NV la absorbe y cambia de estado de espín, lo que disminuye la cantidad de luz roja emitida. Al medir la energía de microondas aplicada que causa el cambio de estado de espín, conocida como frecuencia de transición, los científicos pueden determinar el campo magnético.

Los magnetómetros de centros NV pueden fabricarse con un solo centro NV para resolución espacial extrema o con muchos centros NV para alta sensibilidad magnética, según el NIST. La frecuencia de transición del centro NV depende únicamente del campo magnético, constantes físicas fundamentales y constantes específicas del diamante. Por lo tanto, el sensor no necesita calibración y puede hacerse rastreable de manera directa al Sistema Internacional de Unidades (SI).

El NIST está desarrollando un dispositivo de próxima generación que utiliza el efecto fotoeléctrico —la emisión de electrones de un material bajo iluminación con luz— para realizar magnetometría de centros NV con lectura eléctrica, según informó la institución. Los dispositivos actuales miden campos magnéticos detectando la luz roja que emiten los centros NV, pero este nuevo esquema de detección convierte el estado de espín de los electrones del centro NV directamente en una señal eléctrica dentro del diamante.

Los investigadores del NIST diseñarán y fabricarán dispositivos de resonancia magnética detectada fotoeléctricamente de última generación y electrónica para maximizar la sensibilidad del dispositivo y otras métricas clave de rendimiento, mientras reducen el consumo de energía, el peso y el coste, según la institución. Complementando este esfuerzo, el equipo del NIST desarrollará y utilizará aprendizaje automático para leer los magnetómetros de centros NV lo más rápidamente posible.

Los investigadores del NIST también desarrollarán metrología y evaluación comparativa para las propiedades estructurales, ópticas y de espín de los diamantes, según informó la institución. Esto ayudará a cerrar la brecha en calidad y consistencia entre los diamantes producidos actualmente por proveedores comerciales y los necesarios para aplicaciones de sensores. Además, el NIST realizará mediciones de precisión de la respuesta magnética de muchos diamantes, estableciendo la incertidumbre muestra a muestra para una constante específica del diamante importante llamada factor g. Esto puede ayudar a establecer la incertidumbre de las mediciones de campo magnético realizadas con diamantes similares, un paso importante en el desarrollo de esta tecnología.

El equipo del NIST también estudiará cómo el procesamiento de materiales afecta el rendimiento del sensor y desarrollará prácticas estandarizadas de procesamiento de materiales, según la institución.

Los magnetómetros de centros NV pueden medir una amplia gama de intensidades de campo magnético con facilidad, según el NIST. A diferencia de otros tipos de sensores magnéticos cuánticos, pueden medir la dirección de un campo, no solo su intensidad. Los magnetómetros de centros NV también sobresalen en la medición de campos magnéticos en una amplia gama de frecuencias, desde campos estáticos hasta campos oscilantes de frecuencia de gigahercios. Por lo tanto, los centros NV pueden autocalibrar los campos magnéticos de microondas utilizados en aplicaciones de magnetometría.

A diferencia de los sensores basados en circuitos superconductores ultraenfriados y celdas de vapor atómico —dos de los tipos más comunes de magnetómetros cuánticos en uso hoy— los centros NV pueden manejar un amplio rango de temperaturas y presiones, desde temperaturas criogénicas hasta por encima de la temperatura ambiente y desde presiones de vacío hasta gigapascales, según el NIST.

Los magnetómetros de centros NV pueden fabricarse de manera compacta y robusta, permitiendo su despliegue en muchos entornos, incluidos los extremos, según la institución. También son potencialmente más baratos de operar que otros magnetómetros cuánticos. Y debido a que los diamantes son extremadamente duraderos, los sensores fabricados con ellos deberían durar mucho tiempo.

El esfuerzo actual del NIST se centra en usar las ventajas únicas de los centros NV para crear una nueva tecnología de navegación de precisión, según informó la institución. Un magnetómetro en un avión o dron puede medir el campo magnético de la corteza terrestre. Esas mediciones se comparan con mapas magnéticos conocidos y se combinan con datos de sensores inerciales a bordo para determinar la dirección de viaje de la aeronave.

A diferencia de los sistemas de posicionamiento basados en satélites como GPS, que pueden ser falsificados o bloqueados, los sensores magnéticos no dependen de señales eléctricas externas y son difíciles de bloquear, según el NIST. Esto los hace atractivos para empresas militares y de aviación que necesitan un método de navegación de respaldo para cuando los sistemas GPS y similares estén comprometidos. Otros tipos de magnetómetros aún no han proporcionado la precisión de posicionamiento necesaria para la adopción comercial, pero las capacidades de detección vectorial de los centros NV pueden permitirles tener éxito donde otras tecnologías se han quedado cortas, según la institución.

El NIST ha publicado investigaciones relacionadas con esta tecnología, incluyendo un estudio sobre la importancia desigual de parámetros y el gasto de medición en detección cuántica adaptativa publicado en el Journal of Applied Physics el 21 de febrero de 2025, un trabajo sobre espectroscopia de fotoionización desde el estado singlete 1E en centros de vacancia de nitrógeno en diamante publicado en Physical Review B el 17 de octubre de 2024, y una investigación sobre diseño de experimentos bayesianos secuenciales para mediciones adaptativas publicada en el Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology el 3 de febrero de 2021, según la institución.

La tecnología de magnetómetros de centros NV representa un avance significativo en la detección cuántica, combinando alta sensibilidad, robustez operacional y potencial para aplicaciones comerciales y militares. El desarrollo de sistemas de lectura eléctrica y la estandarización de procesos de fabricación de diamantes podrían acelerar la adopción de estos sensores en navegación de precisión y otras aplicaciones donde la independencia de sistemas satelitales es crítica.