Elektromagnetyzm bez tajemnic

fot. pixabay

Czujniki kwantowe, które wykrywają najmniejsze zmiany w polach magnetycznych lub elektrycznych umożliwiły precyzyjne pomiary w dziedzinach materiałoznawstwa i fizyki. Jednak znane konstrukcje są w stanie wykryć tylko kilka określonych częstotliwości pól, co ogranicza ich przydatność. Naukowcy z MIT opracowali jednak metodę umożliwiającą takim czujnikom detekcję dowolnej częstotliwości bez utraty ich zdolności do pomiaru w skali nanometrycznej.

Nowa metoda została opisana w czasopiśmie Physical Review X przez doktoranta Guoqinga Wanga, profesora nauk i inżynierii jądrowej oraz fizyki Paoli Cappellaro oraz czterech innych pracowników MIT oraz Laboratorium Lincolna.

Sensory kwantowe mogą przybierać różne formy. Są to zasadniczo układy, w których niektóre cząstki przebywają w labilnie zrównoważonym stanie. Mają więc na nie wpływ nawet niewielkie zmiany w polach, na których odziaływanie są wystawione. Mogą one przybierać formę neutralnych atomów, uwięzionych jonów lub półprzewodników spintronicznych, a badania z wykorzystaniem takich czujników rozwijają się niezwykle szybko. Fizycy używają ich do badania egzotycznych stanów materii i charakteryzowania praktycznych urządzeń, takich jak eksperymentalne pamięci kwantowe czy urządzenia obliczeniowe. Jednak wiele innych interesujących zjawisk, które można by zbadać, obejmuje znacznie szerszy zakres częstotliwości niż dostępny dla dzisiejszych sensorów.

Nowy system zwany mikserem kwantowym wprowadza do detektora drugą częstotliwość za pomocą wiązki mikrofal. Przekształca to częstotliwość badanego pola na taką, która jest dostrojona do czułości detektora. Ten prosty proces umożliwia detektorowi wykonanie nastawy na dowolną pożądaną częstotliwość bez utraty rozdzielczości przestrzennej czujnika w nanoskali.

W swoich eksperymentach naukowcy wykorzystali specyficzne urządzenie oparte na szeregu centrów azot-wakancja obecnych w diamencie. Jest to szeroko stosowany kwantowy system detekcji. Z jego pomocą z powodzeniem zademonstrowano wykrywanie sygnału o częstotliwości 150 MHz za pomocą detektora kubitowego o częstotliwości 2,2 GHz. Wykrycie takiego sygnału byłoby niemożliwe bez użycia multipleksera kwantowego. Następnie przeprowadzili szczegółowe analizy procesu, opisując jego ramy teoretyczne.

Wang uważa, że ta sama zasada może być wykorzystana do budowy wszelkiego rodzaju czujników lub urządzeń kwantowych. Takie systemy mogłyby być samowystarczalne, posiadając detektor i źródło drugiej częstotliwości zintegrowane w ramach jednego urządzenia. System można by wykorzystać, na przykład do szczegółowego scharakteryzowania rozkładu pola anteny mikrofalowej z rozdzielczością nanoskalową.

Istnieją inne sposoby zmiany czułości częstotliwościowej niektórych czujników kwantowych, ale wymagają one użycia dużych urządzeń i silnych pól magnetycznych, które rozmywają drobne szczegóły i uniemożliwiają osiągnięcie bardzo wysokiej rozdzielczości, jaką oferuje nowy system, a nawet niweczą sam pomiar.

Według Cappellaro mikser kwantowy może otworzyć nowe drzwi w dziedzinach biomedycznych, udostępniajac zakres częstotliwości aktywności elektrycznej lub magnetycznej na poziomie pojedynczej komórki. Bardzo trudno byłoby uzyskać użyteczną rozdzielczość takich sygnałów przy wykorzystaniu obecnych systemów czujników kwantowych. Możliwe jest użycie nowej metody do wykrywania sygnałów wyjściowych pojedynczego neuronu w odpowiedzi na bodziec, który zazwyczaj zawiera dużo szumu, będąc trudnym do wyizolowania. Można ją również wykorzystać do szczegółowego scharakteryzowania zachowania egzotycznych materiałów, takich jak materiały 2D, które są intensywnie badane pod kątem ich właściwości elektromagnetycznych, optycznych i fizycznych.

W toku prac zespół bada możliwość znalezienia sposobów na rozszerzenie funkcjonalności systemu, aby był w stanie jednocześnie sondować większy zakres częstotliwości, a nie tylko docelową częstotliwość ustalonego układu.

(rr)