Czujnik kwantowy dla świata atomów
Pixabay – TheDigitalArtistNaukowcy z Forschungszentrum Jülich oraz koreańskiego IBS Centre for Quantum Nanoscience (QNS) dokonali przełomowego odkrycia, opracowując czujnik kwantowy zdolny do pomiaru maleńkich pól magnetycznych w skali atomowej. Dzięki międzynarodowej współpracy udało im się zrealizować długoletnie marzenie naukowców – stworzenie narzędzia porównywalnego do rezonansu magnetycznego, które umożliwia badanie materiałów kwantowych na poziomie atomowym.
Zespół badawczy połączył wiedzę ekspertów z Jülich w zakresie produkcji i manipulacji pojedynczymi cząsteczkami z zaawansowaną aparaturą oraz metodologią opracowaną przez koreański zespół z QNS. Dzięki temu udało się stworzyć pierwszy na świecie czujnik kwantowy, który działa w mikroskali.
Średnica atomu jest aż milion razy mniejsza niż średnica ludzkiego włosa. To sprawia, że niezwykle trudno jest precyzyjnie mierzyć takie wielkości fizyczne, jak pola elektryczne i magnetyczne, które emanują z poszczególnych atomów. Dopiero gdy narzędzie obserwacyjne jest nie tylko bardzo czułe, ale i tak małe jak atom, możliwe jest rejestrowanie słabych pól emitowanych przez pojedyncze atomy.
Czujnik kwantowy wykorzystuje zjawiska mechaniki kwantowej, takie jak spin elektronu czy splątanie stanów kwantowych, aby umożliwić precyzyjne pomiary. W ostatnich latach opracowano różne rodzaje takich czujników, które są bardzo czułe na pola elektryczne i magnetyczne. Jednak dotychczas zakładano, że zwiększenie rozdzielczości przestrzennej do poziomu atomowego nie jest możliwe.
Nowe podejście dla wyższej rozdzielczości
Nowy czujnik kwantowy umożliwia osiągnięcie wyższej rozdzielczości dzięki wykorzystaniu pojedynczej cząsteczki. Sukces tego rozwiązania opiera się na innowacyjnym podejściu koncepcyjnym. Działanie większości znanych czujników bazuje na defektach w sieci krystalicznej, które reagują na pola elektryczne i magnetyczne, rozwijając swoje właściwości tylko wtedy, gdy są głęboko osadzone w materiale. W efekcie czujniki te znajdują się w pewnej odległości od badanego obiektu, co zazwyczaj uniemożliwia wykrycie struktur wielkości pojedynczego atomu.
Niemiecko-koreański zespół badawczy wybrał jednak inne podejście: opracowali instrument, który wykorzystuje pojedynczą cząsteczkę umieszczoną na końcu skaningowego mikroskopu tunelowego jako czujnik. To nowatorskie podejście pozwala umieścić czujnik w odległości zaledwie kilku atomów od badanych obiektów i dokładnie wykrywać ich właściwości elektryczne i magnetyczne.
Źródło: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau– Ten czujnik kwantowy zmienia zasady gry, ponieważ zapewnia obrazy materiałów tak szczegółowe jak rezonans magnetyczny, ustanawiając jednocześnie nowy standard rozdzielczości przestrzennej czujników kwantowych. Pozwoli nam to zbadać i zrozumieć materiały na ich najbardziej fundamentalnym poziomie – mówi z entuzjazmem o potencjalnych zastosowaniach dr Taner Esat.
Dr Taner Esat to główny autor zespołu z Jülich był również tym, który zainicjował długoterminową współpracę między Forschungszentrum Jülich i QNS, gdzie wcześniej pracował jako postdoc. Po powrocie do Jülich, gdzie zaprojektował tę cząsteczkę czujnika, postanowił spędzić okres badawczy w QNS, aby udowodnić, że technologia działa ze specjalnymi instrumentami w Korei.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Czujnik ma rozdzielczość energetyczną, która umożliwia wykrywanie zmian w polach magnetycznych i elektrycznych z rozdzielczością przestrzenną w zakresie jednej dziesiątej angstremu, gdzie 1 angstrem zwykle odpowiada średnicy atomu. Ponadto czujnik kwantowy można skonstruować i wdrożyć w istniejących laboratoriach na całym świecie.
Źródło: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau– To, co czyni to osiągnięcie tak niezwykłym, to fakt, że używamy doskonale skonstruowanego obiektu kwantowego do badania fundamentalnych właściwości atomowych od podstaw. W przeciwieństwie do tego, poprzednie techniki wykorzystują duże, nieporęczne sondy do analizy maleńkich cech atomowych – podkreśla dr Dimitry Borodin.
Przełomowy czujnik kwantowy otwiera zatem zupełnie nowe możliwości dla rozwoju materiałów kwantowych, rozwoju nowych katalizatorów i badań nad podstawowym zachowaniem kwantowym układów molekularnych, na przykład w biochemii.
Przełomowy potencjał
– Rewolucja w narzędziach do obserwacji i badania materii sięga czasów nauk podstawowych – zauważa Yujeong Bae, kierownik projektu w QNS.
Lub jak to ujął Richard Feynman: – Jest jeszcze dużo miejsca do zejścia w dół. Potencjał technologiczny manipulacji na poziomie atomowym jest nieskończony
– Jestem podekscytowany widząc, jak nasza wieloletnia praca w dziedzinie manipulacji molekularnych doprowadziła do zbudowania rekordowego urządzenia kwantowego – dodaje Profesor Temirov, lider grupy badawczej w Jülich
Wyniki badań zostały opublikowane w Nature Nanotechnology. Opracowanie czujnika kwantowego na poziomie atomowym stanowi znaczący kamień milowy w dziedzinie technologii kwantowej i oczekuje się, że będzie miało daleko idące implikacje dla różnych dyscyplin naukowych.
Źródło: Forschungszentrum Jülich
