Lectura de un conjunto de espines en estado sólido en el límite del ruido de proyección

Escuchando los susurros magnéticos más silenciosos

Los sensores cuánticos modernos pueden detectar campos magnéticos procedentes de fuentes tan pequeñas como proteínas individuales o diminutos circuitos electrónicos, pero habitualmente se ven limitados por ruido técnico adicional en su lectura. Este artículo muestra cómo escuchar el “susurro cuántico” fundamental de un sensor cristalino sólido formado por defectos en el diamante, superando una barrera de ruido que llevaba mucho tiempo presente. Para el lector, es la historia de convertir un microscopio para magnetismo ya exquisito en una herramienta aún más fina que podría acelerar la imagen cerebral, la investigación de materiales y el diagnóstico.

Por qué los espines en diamante son sensores poderosos

El trabajo se centra en pequeños imanes llamados espines, alojados en centros de vacantes de nitrógeno (NV) en diamante. Cada centro NV es un defecto donde un átomo de carbono es reemplazado por nitrógeno y el sitio vecino está vacío. Estos defectos se comportan como agujas de compás cuánticas que pueden controlarse con luz y microondas, incluso a temperatura ambiente. Cuando muchos de esos espines se combinan en un conjunto, actúan como un sensor colectivo utilizado para resonancia magnética nuclear (RMN), imagen por resonancia magnética (IRM), navegación e incluso búsquedas de materia oscura. En principio, su rendimiento último está fijado por el “ruido de proyección” cuántico, la aleatoriedad inevitable que aparece al medir muchos espines cuánticos. En la práctica, sin embargo, los experimentos con cristales sólidos hasta ahora han estado limitados por una fuente mucho más mundana de aleatoriedad: el ruido de disparo (shot noise) de los fotones usados para leer los espines.

Superando el ruido fotónico con un ingenioso truco de memoria

Los autores superan esta limitación tomando prestado un poderoso truco de experimentos con espines individuales y escalándolo a un conjunto mesoscópico de centros NV. Dentro de cada centro NV no solo existe un espín electrónico, que es fácil de leer ópticamente, sino también un espín nuclear de nitrógeno, que actúa como memoria cuántica de larga duración. El equipo mapea repetidamente el estado del espín nuclear sobre el espín electrónico usando pulsos de microondas y radiofrecuencia cuidadosamente sintonizados, luego lee el electrón con un breve pulso láser y repite este ciclo miles de veces. Como el espín nuclear casi no cambia durante estas mediciones débiles y repetidas, su estado puede muestrearse una y otra vez, promediando efectivamente las variaciones aleatorias en el número de fotones. Al operar a un campo magnético fuerte de 2,7 tesla, extienden la vida de esta memoria nuclear lo suficiente como para realizar más de cuatro mil lecturas sobre los mismos espines.

Viendo las verdaderas fluctuaciones cuánticas de una multitud de espines

A medida que aumenta el número de lecturas repetidas, el ruido en la señal medida primero cae conforme a la estadística esperada de los fotones y luego se nivela una vez que el ruido fotónico deja de dominar. En ese punto, lo que queda es el ruido de proyección intrínseco de los propios espines. Los investigadores observan una reducción de ruido de aproximadamente 3,8 decibelios por debajo del nivel de ruido de disparo fotónico, entrando directamente en este régimen limitado por el ruido de proyección. Esto les permite no solo medir la orientación media de los espines sino también resolver la distribución completa de resultados de espín en el conjunto. Con esta sensibilidad pueden observar cómo cambia el ruido colectivo cuando excitán los espines con ondas de radio, cuando los espines se relajan debido al movimiento aleatorio en el cristal y cuando se exponen a fuentes de ruido artificiales, espacialmente correlacionadas, que afectan a todos los espines de manera similar.

Nuevas formas de detectar patrones en espacio y tiempo

El acceso directo al ruido de espín desbloquea modos de detección que previamente estaban fuera del alcance para conjuntos en estado sólido. El equipo demuestra que, al observar cómo cambia el ancho del ruido, pueden distinguir entre ruido ambiental no correlacionado, donde cada espín fluctúa de forma independiente, y ruido correlacionado, donde muchos espines son empujados de manera coordinada. También usan secuencias de pulsos estándar que hacen al conjunto sensible a campos magnéticos oscilantes en una frecuencia elegida, y luego reconstruyen cómo la distribución colectiva de espines se dispersa en distintas direcciones. Esto revela no solo la magnitud de la respuesta de los espines, sino también cómo sus fluctuaciones se delocalizan, ofreciendo una imagen más rica del entorno circundante.

De mejores sensores cuánticos a sondeos de materia cuántica de muchos cuerpos

Alcanzar el límite del ruido de proyección en un cristal sólido convierte un referente teórico de larga trayectoria en una herramienta práctica. Para el lector general, el resultado clave es que estos sensores basados en diamante ahora pueden leerse con tanta precisión que solo queda la aleatoriedad cuántica fundamental. Esto, a su vez, significa que muchos protocolos de detección —desde RMN e IRM a escala nanométrica hasta relajometría y magnetometría— pueden hacerse más rápidos o más sensibles por órdenes de magnitud, porque se necesita menos promediado. Mirando al futuro, la misma lectura permite posibilidades más exóticas, como aplicar squeezing al espín colectivo para superar incluso el límite de proyección cuántica, cartografiar señales correlacionadas espacial y temporalmente en el campo de visión de un microscopio y estudiar estados cuánticos complejos de muchos cuerpos dentro de materiales sólidos.

Cita: Maier, R., Ho, CI., Denisenko, A. et al. Readout of a solid state spin ensemble at the projection noise limit. Nat Commun 17, 4028 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72721-0

Palabras clave: sensing cuántico, centros de vacantes de nitrógeno, ruido de proyección de espín, magnetometría en diamante, sensores cuánticos en estado sólido