Ese diamante defectuoso podría ser el mejor amigo de un físico cuántico

Elisabeth Rülke está trabajando para mejorar la detección cuántica para su investigación de tesis superior en la Universidad de Princeton

A los compradores les gustan los diamantes impecables, pero para los físicos cuánticos, los defectos son la mejor parte.

Elisabeth Rülke, estudiante de último año, pasó el último año usando láseres y diamantes defectuosos (pequeñas obleas de diamante con defectos del tamaño de un solo átomo) para desarrollar un sensor cuántico.

La oblea transparente en el centro del equipo es una placa de diamante, fabricada con precisión para tener 2 mm de lado y 0,3 mm de grosor, con fallas de tamaño atómico en las que Rülke y su asesora Nathalie de Leon brillan con láseres verde y naranja.

A diferencia de las computadoras cuánticas, que aún son más teóricas que prácticas, los sensores cuánticos ya están en uso. Rülke y su asesora, la física cuántica Nathalie de Leon, están trabajando en un nuevo enfoque para la detección cuántica que depende del uso simultáneo de dos de estos defectos de un solo átomo.

"Debido a que son tan, tan pequeños, podrías comenzar a mapear y sentir cosas en una escala que nunca antes había sido factible", dijo Rülke, un concentrador de física que busca un certificado en matemáticas aplicadas y computacionales. "Sería revolucionario para la química, la biología y especialmente para los dispositivos médicos".

"Trabajar con estudiantes muy brillantes como Elisabeth es siempre un privilegio", dijo de Leon, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática y profesor asociado en el departamento de física. "Aporta una nueva perspectiva y una visión diferente de las cosas, y eso aportó un poco más de creatividad al proyecto de lo que creo que habría sucedido de otra manera. Tengo suerte de estar en Princeton y tener a estos estudiantes realmente geniales llamando a mi puerta". "

Rülke sabía antes de venir a Princeton que quería estudiar física y astronomía, pero también sabía que quería aprovechar al máximo las artes liberales. "He tomado cursos de historia, filosofía, religión, iniciativa empresarial, cine, arte y otros, y creo que ha sido la piedra angular de mi experiencia en Princeton. Lo maravilloso de la educación en artes liberales de Princeton es que te permite tomar clases en una variedad de materias, lo que significa que lo que eliges para especializarte no es el único enfoque de tu educación, como es el caso de la mayoría de las universidades británicas y una razón importante por la que quería estudiar en los EE. UU.", dijo Rülke, quien fue nacido y criado en Londres.

"Creo que existe una superposición en el pensamiento crítico y creativo utilizado tanto en los cursos de física y matemáticas de nivel superior como en las materias de humanidades", agregó.

Cuando Princeton cerró su campus a la instrucción en persona en marzo del primer año de Rülke, se fue a su casa en Londres para recibir clases de Zoom. Ese verano, cuando se relajaron las restricciones de viaje, ella y un compañero de clase de Princeton se mudaron a un departamento en Roma. "Tomé una clase de historia del arte ese otoño y fue increíble", dijo Rülke. “Recuerdo que una tarea nos pidió que fuéramos a buscar arte 'dondequiera que estés'. La mayoría de mis compañeros miraron una tetera de su casa y yo elegí una escultura de Bernini".

Después de regresar al campus, decidió enfocar su primer trabajo en una pregunta realmente enorme: la naturaleza de la energía oscura en el universo.

"Ella no había tomado un curso de relatividad general, no había tomado un curso de cosmología, y no se desanimó en absoluto", dijo Paul Steinhardt, profesor de Ciencias Albert Einstein de Princeton y profesor de física que fue su asesor en ese papel. "Claramente fue un esfuerzo para ella, pero estaba llena de energía y entusiasmo. Realmente disfruto ver a una estudiante esforzándose y aprendiendo, y eso sin duda caracterizó a Elisabeth. Se rompió la pierna ese semestre, pero aun así siempre venía a nuestro programa semanal". reuniones con entusiasmo y alegría y muchas grandes preguntas de investigación".

Después de trabajar juntos en ese artículo, Steinhardt se desempeñó como segundo lector en el segundo artículo junior de Rülke y luego repitió ese papel para su tesis de último año. "Habré leído todas sus tesis para cuando terminemos", dijo.

Rülke llegó a Princeton sabiendo que quería sumergirse en STEM (ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas) y específicamente en física y astronomía.

"Los departamentos de física y astrofísica de Princeton son absolutamente asombrosos", dijo. "Me siento muy afortunada. Cuando visité Princeton después de ingresar, fui a ver el antiguo salón de clases de Einstein y caminé hasta su casa, que está cerca del campus".

En el laboratorio, Rülke realiza un escaneo confocal para ubicar los centros NV en una red de diamantes.

Después de abordar la cosmología teórica para su primer proyecto de investigación independiente, quería probar algo más práctico, por lo que hizo su segundo trabajo sobre propulsión de plasma. "Ambas fueron muy, muy interesantes. La primera era muy teórica y la segunda era casi demasiado experimental", dijo. "En realidad, estaba subiendo a un tanque de empuje con herramientas y jugando con cosas allí. Entonces, para mi tesis, quería algo en el medio".

Su amplia perspectiva ha sido útil para Rülke cuando aborda la detección cuántica, un problema que ha reunido a profesores de física, química e ingeniería con el objetivo de abordar una amplia gama de problemas, desde biofísica y aplicaciones biomédicas hasta física de la materia condensada y el diseño de nuevos sistemas de navegación. sensores

"El espíritu general de mi grupo de investigación es tratar de ver los problemas sin fronteras tanto como sea posible", dijo de León. "Nuestro enfoque de los problemas tiende a comenzar con, '¿Qué se necesita para resolver esto? Tenemos toda la física y toda la química y toda la ingeniería de materiales, todas las herramientas de la humanidad, así que veamos si podemos MacGyver nuestro camino para una solución.' Elisabeth definitivamente encaja como pez en el agua".

Los diamantes están hechos de carbono puro, al igual que el carbón y el grafito de los lápices. Pero puedes escribir con lápices (y carboncillo) porque esos átomos de carbono están organizados en láminas que se separan con la mínima presión, dejando marcas.

Los átomos de carbono en un diamante, por el contrario, han sido forzados a unirse con una tremenda presión, apiñando los átomos en una red perfecta y compleja. Esto permite otra propiedad única: cuando un átomo de nitrógeno empuja y desplaza dos átomos de carbono, crea un pequeño defecto llamado "centro de vacante de nitrógeno" o "centro NV".

Los centros NV se comportan como pequeñas agujas de brújula y se han utilizado en sensores cuánticos que pueden medir campos magnéticos. Mientras estaba en cuarentena en casa durante la pandemia de COVID, de Leon comenzó a preguntarse qué pasaría si hubiera dos centros NV, separados con precisión dentro de un chip de diamante.

Resulta que si bien es mucho, mucho más difícil medir dos vacantes de nitrógeno simultáneamente, una vez que lo hace, puede medir nuevas cantidades físicas, es decir, las correlaciones en el campo magnético en el espacio y el tiempo. Con mediciones simultáneas de dos centros NV, es posible un mundo completamente nuevo de mediciones a nanoescala, dijo de León.

"Esto es algo fundamentalmente nuevo", dijo. "El mundo es nuestra ostra. Podemos usar esta nueva técnica que mide una cantidad física completamente nueva. ¡Así que limpiemos! Veamos todo lo que la gente estaba tratando de hacer en los años 80 y luego se quedó atascado porque no lo hicieron". No tengo la herramienta adecuada. Tal vez haya algo de física realmente genial que podamos aprender. Ahí es donde entra Elisabeth".

El viaje desde la inspiración pandémica hasta la medición simultánea de dos centros NV llevó años. De Leon y un postdoctorado en su laboratorio, Jared Rovny, pasaron 18 meses resolviendo las matemáticas y más que eso para descubrir cómo construir una herramienta que le permita hacer brillar láseres en dos objetos de tamaño atómico y luego contar los fotones que salen volando. Primero demostraron esta técnica con una resolución de 500 nanómetros. (En aras de la comparación, el período al final de esta oración es de aproximadamente un millón de nanómetros). La tesis de último año de Rülke se ha centrado en mejorar esta resolución de 500 nanómetros a 10 nm o tal vez incluso a un solo nanómetro.

Rülke atribuye a sus cursos y sus proyectos de investigación independientes en la Universidad el desarrollo de su capacidad para navegar por la incertidumbre y enfrentar los desafíos de frente.

"Recuerdo un examen de física de tres horas que solo tenía dos preguntas. Tienes que pasar mucho tiempo buscando en la oscuridad, tratando de pensar cómo hacer esto, con qué método empezar, y desarrollando las habilidades para hacerlo. te convierte en una persona con la capacidad de pensar realmente críticamente y no tener miedo si vas de frente a un problema en el que realmente no puedes ver el final o realmente no sabes cómo resolverlo.

"En la escuela secundaria, odiaba ese tipo de problemas", dijo. "Me gustó llegar a la respuesta y hacerlo bien. Ese crecimiento ocurrió en Princeton".

Tanto ella como de Leon disfrutaron de sus sesiones semanales de asesoramiento de tesis.

"Tengo suficiente autonomía para decidir qué quiero hacer exactamente", dijo Rülke. Pero de León también brinda suficiente ayuda "para asegurarse de que tengo el conocimiento previo adecuado".

"Ella siempre se presenta en mi oficina extremadamente soleada y muy entusiasta", dijo de Leon sobre Rülke. "No sé de dónde saca toda esa energía. Incluso si es la mitad de la temporada de mitad de período o la temporada de aplicaciones, ella simplemente aparece y dice: 'Está bien, esto es lo que he hecho. Mira todos mis datos. Discutámoslo. Este es mi plan. Creo que esto es realmente interesante'".

Rülke y su asesora de tesis, la física cuántica Nathalie de Leon (derecha), están midiendo dos centros de vacantes de nitrógeno simultáneamente. De Leon y su postdoctorado Jared Rovny demostraron por primera vez esta técnica con una resolución de 500 nanómetros, y la tesis principal de Rülke se ha centrado en mejorar esta resolución hasta 10 nm o incluso un solo nanómetro.

Rülke les da a sus padres un recorrido por Cottage Club en el otoño de 2022.

Fuera de su trabajo de curso, Rülke es miembro de Mathey College y se desempeña como presidenta de diversidad, equidad e inclusión de University Cottage Club. Se involucró en el emprendimiento a través del Keller Center y el Entrepreneurship Club, y viajó a California con Silicon Valley Tiger Track para reunirse con emprendedores, firmas de capital de riesgo y empresas relacionadas con el espacio.

Recibió el Premio Conmemorativo Manfred Pyka en Física, otorgado a estudiantes universitarios de física destacados que han demostrado excelencia en el trabajo del curso y promesa en la investigación independiente; la beca Jocelyn Bell Burnell, destinada a alentar a las mujeres a estudiar física; y la Beca Schwarzman, que cubre el costo de un programa de maestría de un año en la Universidad de Tsinghua en Beijing.

Rülke dice que siente "una atracción por ser una ciudadana global", ya que nació en el Reino Unido de padre alemán y madre china.

"Mi identidad cultural es complicada", dijo. "Tengo familia en diferentes partes del mundo y, a veces, ser mestizo significa que no sientes que encajas completamente en ninguna parte. Visitando a mi familia en Alemania o en China, nunca me parecía a nadie más".

"Cuando era niño, eso me hacía sentir fuera de lugar a veces, pero a medida que crecí, comencé a disfrutarlo", dijo Rülke. "Creo que sobresalir es mucho mejor que desaparecer entre la multitud".

Este elaborado conjunto de espejos, lentes y galvonómetros de exploración enruta y recoge la luz en este microscopio casero para la detección cuántica.

Rülke se pone gafas de seguridad antes de disparar láseres en defectos del tamaño de un solo átomo que están más cerca que la longitud de onda de la luz.

Rülke (izquierda) visita El Cairo con su familia en 2009.

Elisabeth Rülke es una estudiante de física de la Clase 2023 con una especialización en matemáticas aplicadas y computacionales.