Fizycy tworzą w laboratorium diamenty z kontrolowanymi defektami, które działają jak kwantowe lupy do badania grafenu i materiałów bezstratnych. To niesamowite.
Niewielki kawałek sztucznego diamentu stał się jednym z najczulszych czujników na świecie. Zespół z Princeton opracował diamentowy sensor kwantowy, który potrafi wychwycić mikroskopijne zawirowania pól magnetycznych w takich materiałach, jak grafen czy nadprzewodniki. To właśnie na tym poziomie rozstrzyga się, ile energii tracimy w kablach i urządzeniach oraz jak sprawna może być elektronika przyszłości.
To diament zamieniony w czujnik kwantowy
Podstawą nowej techniki są diamenty hodowane w laboratorium. Są one ekstremalnie czyste, a naukowcy celowo wprowadzają do ich sieci krystalicznej pojedyncze defekty. Taki defekt nazywa się centrum azotowo-wakancyjnym i zachowuje się jak mikroskopijny kompas: jego stan kwantowy bardzo precyzyjnie reaguje na lokalne pole magnetyczne.
Dotychczas traktowano takie centra jak pojedyncze punkty pomiarowe. Nowa praca pokazuje jednak, iż dużo więcej można uzyskać, gdy w tym samym miejscu umieści się nie jeden, ale dwa defekty, bardzo blisko siebie.
Splątana para: dwa punkty, jeden superczuły sensor
Aby to osiągnąć, badacze rozpędzają cząsteczki azotu i dosłownie wstrzeliwują je w powierzchnię diamentu. Przy tak mocnym uderzeniu cząsteczka rozpada się, a dwa atomy azotu wnikają w kryształ na głębokość kilkunastu nm, zatrzymując się w odległości rzędu 10 nm od siebie. Tak niewielki dystans sprawia, iż elektrony w obu defektach silnie ze sobą oddziałują i wchodzą w stan splątania kwantowego. Splątanie oznacza, iż stan dwóch obiektów jest wspólny: pomiar jednego od razu mówi coś o drugim, choćby jeżeli nie są w tym samym miejscu. W praktyce para defektów staje się jednym sensorem o dwóch oczach, który potrafi lepiej wyłowić pożądany sygnał z tła szumu.
Zamiast wykonywać skomplikowane, wieloetapowe procedury, badacze mogą przeprowadzić pojedynczy pomiar, w którym ślad korelacji magnetycznych zapisuje się bezpośrednio w stanie splątanej pary. To właśnie daje kilkudziesięciokrotny wzrost czułości w porównaniu do wcześniejszych metod.
Co widzi ten diamentowy sensor?
Nowy czujnik działa w bardzo niewygodnym dla klasycznych metod pomiarowych zakresie – pomiędzy pojedynczymi atomami a skalą porównywalną z długością fali światła. Właśnie tam rozgrywa się najciekawsza część fizyki, która w praktyce decyduje o tym, ile energii tracą urządzenia i jak stabilnie potrafią pracować. Na tym poziomie można śledzić, jak daleko elektron biegnie przez materiał, zanim zderzy się z inną cząstką i zamieni część energii w ciepło, jak zachowują się mikroskopijne wiry pola magnetycznego pojawiające się w nadprzewodnikach, oraz jak dokładnie rozkładają się prądy i pola w ultracienkich warstwach, takich jak grafen.
Dotychczas większość tych zjawisk była widoczna co najwyżej jako uśredniony efekt końcowy. Diamentowy sensor kwantowy dosłownie przyłapuje materiał na gorącym uczynku, rejestrując subtelne fluktuacje pola magnetycznego tuż nad jego powierzchnią. Dzięki temu fizycy mogą po raz pierwszy sprawdzać skomplikowane modele teoretyczne na żywych, realnych materiałach, zamiast opierać się tylko na pośrednich wnioskach z klasycznych pomiarów.
Brzmi kosmicznie, ale co to nam tak adekwatnie da?
Dla przeciętnego Kowalskiego ta cała historia o diamentach i fluktuacjach kwantowych brzmi jak bardzo odległa fizyka, ale jej skutki mogą być całkiem przyziemne. Nowy sensor to po prostu superczułe oko do podglądania, gdzie w materiałach uciekają nam miliardowe porcje energii.
Jeśli zostanie wprowadzony do masowej produkcji, to łatwiej będzie projektować lepsze przewodniki, nadprzewodniki i elementy elektroniki – takie, które mniej się grzeją, są stabilniejsze i o wiele bardziej przewidywalne. Nie przełoży się to na nowy licznik prądu w mieszkaniu za miesiąc czy dwa, ale w perspektywie kilku lat może oznaczać znacznie sprawniejsze sieci energetyczne, sprzęt elektroniczny o mniejszych stratach i urządzenia, które rzadziej się psują, bo ich zachowanie było lepiej rozpracowane już na poziomie pojedynczych elektronów.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
