اپتیک و کوانتوم

یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی از Forschungszentrum Jülich آلمان و مرکز IBS یک حسگر کوانتومی ایجاد کرده‌اند که می‌تواند میدان‌های مغناطیسی کوچک را در مقیاس اتمی تشخیص دهد. این کار پیشگام، رویای دیرینه دانشمندان را محقق می کند: ابزاری شبیه MRI برای مواد کوانتومی.

تیم تحقیقاتی از تخصص ساخت تک مولکولی پایین به بالا از گروه یولیچ در حین انجام آزمایشات درQNS، با استفاده از ابزار دقیق و دانش روش شناختی تیم کره ای برای توسعه اولین حسگر کوانتومی جهان برای دنیای اتمی استفاده کرد. نتایج تحقیق در NatureNanotechnology منتشر شده است.

قطر یک اتم یک میلیون بار کوچکتر از ضخیم ترین موی انسان است. این امر تجسم و اندازه‌گیری دقیق کمیت‌های فیزیکی مانند میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را که از اتم‌ها بیرون می‌آیند بسیار چالش برانگیز می‌کند. برای درک چنین میدان‌های ضعیفی از یک اتم، ابزار مشاهده باید بسیار حساس و به کوچکی خود اتم‌ها باشد. سنسور کوانتومی فناوری است که از پدیده‌های مکانیکی کوانتومی مانند اسپین الکترون یا درهم‌تنیدگی حالت‌های کوانتومی برای اندازه‌گیری دقیق استفاده می‌کند. انواع مختلفی از حسگرهای کوانتومی در سال های گذشته توسعه یافته اند. در حالی که بسیاری از حسگرهای کوانتومی قادر به تشخیص میدان های الکتریکی و مغناطیسی هستند، اعتقاد بر این بود که وضوح فضایی در مقیاس اتمی نمی تواند به طور همزمان حاصل شود.

موفقیت سنسور کوانتومی جدید در مقیاس اتمی در استفاده از یک مولکول واحد نهفته است. این یک روش حسگری متفاوت از نظر مفهومی است، زیرا عملکرد اکثر سنسورهای دیگر بر یک نقص شبکه کریستالی متکی است. از آنجایی که چنین نقایصی تنها زمانی خواص خود را ایجاد می کنند که عمیقاً در ماده جاسازی شوند، نقص - که می تواند میدان های الکتریکی و مغناطیسی را حس کند - همیشه در فاصله نسبتاً زیادی از جسم باقی می ماند و مانع از دیدن جسم واقعی در مقیاس اتم های منفرد می شود. تیم تحقیقاتی رویکرد را تغییر داد و ابزاری را توسعه داد که از یک مولکول برای حسگری خواص الکتریکی و مغناطیسی اتم ها استفاده می کند. این مولکول به نوک میکروسکوپ تونل زنی روبشی متصل است و می تواند در چند فاصله اتمی از جسم واقعی قرار گیرد.

دکتر Taner Esat، نویسنده ارشد تیم Jülich، هیجان خود را در مورد کاربردهای بالقوه ابراز کرد و اظهار داشت: "این حسگر کوانتومی، تصاویری از مواد به اندازه یک MRI ارائه می دهد. استاندارد جدید برای تفکیک فضایی در حسگرهای کوانتومی به ما امکان می دهد مواد را در اساسی ترین سطح آنها کاوش و درک کنیم. حسگر دارای قدرت تفکیک انرژی است که امکان تشخیص تغییرات میدان های مغناطیسی و الکتریکی با وضوح فضایی در حد یک دهم آنگستروم را فراهم می کند، جایی که 1 آنگستروم معمولاً با یک قطر اتمی مطابقت دارد. علاوه بر این، حسگر کوانتومی را می توان در آزمایشگاه های موجود در سراسر جهان ساخته و پیاده سازی کرد.

نویسنده ارشد QNS می گوید: "چیزی که این دستاورد را بسیار چشمگیر می کند این است که ما از یک شی کوانتومی مهندسی شده استفاده می کنیم تا خواص بنیادی اتمی را از پایین به بالا حل کنیم. تکنیک های قبلی برای تجسم مواد از کاوشگرهای بزرگ و حجیم برای تجزیه و تحلیل ویژگی های اتمی کوچک استفاده می کنند."

این حسگر کوانتومی پیشگامانه آماده است تا راه‌های دگرگون‌کننده را برای مهندسی مواد و دستگاه‌های کوانتومی، طراحی کاتالیزورهای جدید و کاوش در رفتار کوانتومی اساسی سیستم‌های مولکولی، مانند بیوشیمی، باز کند. همانطور که Yujeong Bae، PI QNS برای پروژه، خاطرنشان می کند، "انقلاب در ابزارهای مشاهده و مطالعه ماده از علم پایه انباشته شده سرچشمه می گیرد. پروفسور Temirov، رهبر گروه تحقیقاتی در Jülich، می‌افزاید: «این که ببینیم چگونه کار طولانی مدت ما در دستکاری مولکولی منجر به ساخت یک دستگاه کوانتومی رکورددار شده است، هیجان‌انگیز است. توسعه این حسگر کوانتومی در مقیاس اتمی نقطه عطف مهمی در زمینه فناوری کوانتومی است و انتظار می‌رود پیامدهای گسترده‌ای در رشته‌های مختلف علمی داشته باشد.

More information: A quantum sensor for atomic-scale electric and magnetic fields, Nature Nanotechnology (2024).