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Nov 11, 2023

Um quantum de detecção - escala atômica reforça o novo boom de sensores

Imagine sensores que podem detectar os campos magnéticos dos pensamentos, ajudar a lua

Imagine sensores que podem detectar os campos magnéticos dos pensamentos, ajudar os rovers lunares a detectar oxigênio nas rochas lunares ou ouvir ondas de rádio da matéria escura. Assim como os computadores quânticos podem teoricamente encontrar as respostas para problemas que nenhum computador clássico jamais poderia resolver, uma geração emergente de sensores quânticos também pode levar a novos níveis de sensibilidade, novos tipos de aplicações e novas oportunidades para o avanço de uma variedade de campos, tecnologias , e atividades científicas.

A tecnologia quântica depende de efeitos quânticos que podem surgir porque o universo pode se tornar um lugar confuso em seus menores níveis. Por exemplo, o efeito quântico conhecido como superposição permite que átomos e outros blocos de construção do cosmos existam essencialmente em dois ou mais lugares ao mesmo tempo, enquanto outro efeito quântico conhecido como emaranhamento pode ligar partículas para que possam influenciar umas às outras instantaneamente, independentemente de quão distantes eles estão.

Esses efeitos quânticos são notoriamente frágeis à interferência externa. No entanto, enquanto os computadores quânticos se esforçam para superar essa fraqueza, os sensores quânticos capitalizam essa vulnerabilidade para alcançar uma sensibilidade extraordinária aos menores distúrbios no ambiente. Abaixo estão apenas uma pequena amostra dos muitos tipos e variedades de sensores quânticos que estão sendo desenvolvidos e implantados hoje.

VARREDURAS DO CEREBRO: As correntes elétricas dentro do cérebro geram campos magnéticos que os sensores podem analisar para escanear a atividade cerebral de forma não invasiva. Agora, os sensores quânticos estão permitindo que um capacete vestível realize essas varreduras de magnetoencefalografia (MEG) com desempenho e custo sem precedentes.

Atualmente, as varreduras de MEG são realizadas com sensores conhecidos como dispositivos supercondutores de interferência quântica (SQUIDs). Estes requerem resfriamento com hélio líquido caro a -269 °C, tornando os scanners extremamente grandes. Em contraste, os novos dispositivos da startup Cerca Magnetics em Nottingham, na Inglaterra, são cada um do tamanho de uma peça de Lego.

Cada dispositivo, chamado de magnetômetro bombeado opticamente (OPM), contém um laser que emite um feixe através de uma nuvem de átomos de rubídio em um detector de luz. O feixe pode fazer com que os campos magnéticos dos átomos de rubídio se alinhem, tornando a nuvem essencialmente transparente. Minúsculos campos magnéticos, como os da atividade cerebral, podem perturbar esses átomos, tornando-os capazes de absorver luz, que o detector de luz pode detectar, e o laser redefine a nuvem para que ela continue respondendo a distúrbios magnéticos.

O fato de esses sensores quânticos funcionarem à temperatura ambiente os torna muito menos volumosos do que os SQUIDs. Isso significa que eles podem ser colocados muito mais perto da cabeça de uma pessoa, resultando em um sinal pelo menos duas vezes melhor e teoricamente até cinco vezes melhor, para imagens magnéticas com precisão milimétrica e resolução de milissegundos de áreas superficiais do cérebro, diz Matthew Brookes, presidente do Cerca e pesquisador da Universidade de Nottingham.

Os capacetes MEG vestíveis da Cerca Magnetics podem ser usados ​​com segurança até mesmo por uma criança ativa, diz a empresa.Cerca Magnetics

A natureza pequena e leve dos sensores também significa que eles podem ser montados em um capacete vestível para permitir que as pessoas se movam livremente durante a varredura, em vez de permanecerem imóveis por períodos muito longos, como é o caso atualmente. Além disso, pode se adaptar a diferentes formas e tamanhos de cabeça, possibilitando a varredura não apenas de adultos, mas também de crianças e bebês. Além disso, "MEG com OPMs é, em princípio, muito mais barato do que com SQUIDs", diz Brookes. "Mesmo agora, nos primeiros dias com OPMs, um sistema de imagem MEG completo ainda custa metade do preço de um sistema SQUID para desempenho semelhante."

O scanner Cerca pode ajudar a investigar distúrbios neurológicos, como epilepsia, concussões, demência e esquizofrenia, "ajudando a lançar luz sobre muitas condições graves e debilitantes", diz ele.

Pesquisas futuras podem ter como objetivo aproximar esses sensores de seus limites teóricos de sensibilidade, permitir mais liberdade de movimento para talvez permitir que as pessoas caminhem e adicionar realidade virtual e aprendizado de máquina para aumentar o que os pesquisadores podem fazer com os scanners nas frentes experimental e analítica, diz Brookes.