Аргоннська національна лабораторія США запускає новий трирічний проєкт вартістю 1 мільйон доларів, у межах якого об’єднає фахівців з квантової інформаційної науки та фізики високих енергій. Мета ініціативи — створити алмазні квантові сенсори, здатні вимірювати електромагнітні поля з безпрецедентною точністю. Про це повідомляє Newswise Science News.
Щоб зрозуміти, як взаємодіють найменші «цеглинки» Всесвіту, фізикам потрібні надточні дані про те, як електромагнітні сили впливають на речовину. Під час вимірювання імпульсу частинок після зіткнень у прискорювачах або відстеження тонких змін руху частинок у магнітних кільцях навіть невеликі невизначеності в полях можуть обмежити точність експериментів.
Алмаз як платформа для квантових сенсорів
Новий проєкт спирається на дві ключові сильні сторони лабораторії: квантову інформаційну науку та фізику частинок. Команда планує розробити покоління квантових сенсорів на основі алмазних матеріалів, які зможуть точно картувати електромагнітні поля та водночас легко інтегруватися з майбутніми прискорювачами частинок.
Керівник проєкту, фізик Пітер Вінтер (Peter Winter), пояснює, що багато експериментів у фізиці високих енергій мають спільну рису — вони покладаються на магнітні поля й вимагають їхнього дуже точного картування. Нові сенсори мають стати універсальним інструментом, придатним для широкого кола таких установок.
У центрі розробки — крихітні дефекти в алмазі, відомі як центри азот-вакансія (NV-центри). Вони виникають, коли атом азоту розташований поруч із відсутнім атомом вуглецю в кристалічній решітці алмазу. Такий дефект поводиться як мікроскопічний «захоплений» магніт з кількома енергетичними станами, які змінюються під дією магнітних та електричних полів.
Дослідники використовують світло та мікрохвилі, щоб зчитувати інформацію з цих станів. Завдяки цьому NV-центри можуть працювати як надчутливі датчики електромагнітних полів. Аргоннська лабораторія та її партнери вже багато років удосконалюють технологію NV-центрів, а тепер адаптують її до специфічних потреб фізики високих енергій.
Інтеграція з мікроелектронікою та екстремальні умови
Співкерівник проєкту, науковець Назар Делеган, зазначає, що команда створила технологічну платформу, яку можна інтегрувати з наявними мікроелектронними системами. Це дає широку гнучкість як з інженерного, так і з наукового погляду.
Різні експерименти у фізиці високих енергій мають різні вимоги: одні працюють у зонах з інтенсивним випромінюванням, інші потребують виняткової точності вимірювань, а ще інші обмежені простором для розміщення приладів. Алмазні квантові сенсори потенційно можуть відповідати всім цим умовам.
Команда планує кілька ключових напрямів роботи:
- створення прототипів надточних квантових сенсорів на основі NV-центрів;
- розробка систем для картування магнітних полів на великих площах;
- закладання основ для масивів сенсорів, здатних працювати в середовищах зі швидко змінними електромагнітними полями.
Спершу вчені будуть «налаштовувати» алмазні матеріали під конкретні потреби експериментів з фізики високих енергій. Далі сенсори протестують у лабораторних умовах і в реальних установках — зокрема в сильних магнітних полях та середовищах з високим рівнем радіації. Завершальний етап — створення готових до використання прототипів, які можна буде вбудовувати у майбутні експерименти.
Переваги та ширші перспективи
Алмазні квантові сенсори природно стійкі до радіації, що робить їх привабливими для найскладніших умов. Їхня компактність може зменшити обсяг кабелів та додаткової апаратури в експериментах, а здатність одночасно вимірювати кілька параметрів дає змогу отримувати повнішу картину умов у зоні вимірювань.
Проєкт також має освітній вимір: участь у ньому відкриває можливості для студентів і молодих дослідників. Оскільки робота охоплює квантову інформаційну науку, матеріалознавство, інженерію та фізику частинок, учасники здобуватимуть досвід міждисциплінарної співпраці — навички, які стають дедалі важливішими в сучасній науці.
Делеган підкреслює, що йдеться про ще один напрямок ймовірної «квантової революції». Технології, які ще 5–10 років тому здавалися науковою фантастикою, нині розглядаються як практичні інструменти, здатні в майбутньому навіть стати основою для комерційних розробок.
Дослідники сподіваються, що створена технологія буде достатньо універсальною, щоб працювати в багатьох різних експериментах і зрештою вийти за межі фундаментальної науки. Якщо проєкт буде успішним, він допоможе зменшити невизначеності у вимірюваннях, підвищити точність експериментів і відкрити нові можливості для вивчення фундаментальної природи Всесвіту — завдяки квантовим властивостям крихітних дефектів усередині алмазу.
Робота фінансується Офісом фізики високих енергій Міністерства енергетики США в межах його програми з квантової інформаційної науки.