Connect with us

Hi, what are you looking for?

Наука и технологии

Новая техника квантового зондирования выявляет магнитные связи

Новая техника квантового зондирования выявляет магнитные связи
Новая техника квантового зондирования выявляет магнитные связи

Скажем, вы заметили внезапное падение температуры как на террасе, так и на кухне. Сначала вы думаете, что это из-за резкого похолодания, поэтому включаете тепло в своем доме. Затем вы понимаете, что хотя снаружи действительно стало холоднее, внутри кто-то оставил дверцу холодильника открытой.

Изначально вы думали, что перепады температуры взаимосвязаны. Позже вы увидели, что это не так.

Распознавание того, когда показания коррелированы, важно не только для вашего счета за отопление дома, но и для всей науки. Это особенно сложно при измерении свойств атомов.

Теперь ученые разработали метод, о котором сообщается в Science , который позволяет им увидеть, коррелируют ли магнитные поля, обнаруженные парой квантовых датчиков атомного масштаба, или нет.

Способность различать автономные и коррелированные среды на атомном уровне может оказать огромное влияние на медицину, навигацию и научные открытия.

Что случилось

Группа ученых из Принстонского университета и Университета Висконсин-Мэдисон разработала и продемонстрировала новую технику для определения того, коррелируют ли магнитные поля, регистрируемые несколькими квантовыми датчиками, друг с другом или они независимы.

Команда сосредоточилась на типе датчика на основе алмаза, который называется азотно-вакансионным центром , или NV-центром, который состоит из атома азота рядом с отверстием размером с атом в кристалле атомов углерода, составляющих алмаз.

Обычно ученые измеряют напряженность магнитного поля в одном центре NV, усредняя несколько показаний; или они могут взять среднее значение сразу по многим центрам NV.

Несмотря на то, что средние значения полезны, они предоставляют только ограниченное количество информации. Знание того, что завтра средняя температура в Висконсине составит 42 градуса по Фаренгейту, мало говорит вам о том, насколько холоднее будет ночью или в северной части штата.

«Если вы хотите узнать не только значение магнитного поля в одном месте или в один момент времени, но и есть ли связь между магнитным полем в одном месте и магнитным полем в другом поблизости — на самом деле не было хороший способ сделать это с помощью этих центров NV», — сказал соавтор статьи Шимон Колковиц, доцент Университета Висконсин-Мэдисон и сотрудник Q-NEXT. Q-NEXT — это Национальный исследовательский центр квантовой информации Министерства энергетики США, возглавляемый Аргоннской национальной лабораторией Министерства энергетики США.

Новый метод команды использует несколько одновременных показаний двух центров NV. Используя сложные методы вычислений и обработки сигналов, они получили информацию о взаимосвязи между магнитными полями в обеих точках и могли сказать, получены ли эти два показания из одного и того же источника.

«Видели ли они одно и то же магнитное поле? Видели ли они другое магнитное поле? Это то, что мы можем получить из этих измерений», — сказал Колковиц. «Это полезная информация, к которой раньше никто не имел доступа. Мы можем определить разницу между глобальным полем, которое видели оба сенсора, и полем, которое было локальным».

Почему это важно

Квантовые датчики используют квантовые свойства атомов или атомоподобных систем для улавливания крошечных сигналов, таких как магнитные поля, возникающие при движении отдельных электронов. Эти поля в 100 000 раз слабее, чем у магнита холодильника. Только сверхчувствительные инструменты, такие как квантовые датчики, могут проводить измерения в мельчайших масштабах природы.

Ожидается, что квантовые датчики будут мощными. Центры NV, например, могут различать черты, разделенные всего лишь одной десятитысячной ширины человеческого волоса. С такими возможностями гипермасштабирования центры ночного видения можно было бы поместить в живые клетки, чтобы увидеть изнутри, как они функционируют. Ученые могли бы даже использовать их для точного определения причин болезней.

«Что делает NV особенными, так это их пространственное разрешение», — сказал Колковиц. «Это полезно для визуализации магнитных полей экзотического материала или изучения структуры отдельных белков».

С помощью нового метода, разработанного командой Колковица для измерения напряженности магнитного поля в нескольких точках одновременно, ученые однажды смогут составить карту изменений магнетизма на уровне атомов во времени и пространстве.

Как это работает

Как команда сделала эти информативные измерения? Получились гранулированные.

Вместо того, чтобы усреднять множество необработанных значений, чтобы получить общую напряженность магнитного поля , исследователи отслеживали отдельные показания в каждом центре NV, а затем применяли математический маневр, называемый « ковариация », к двум спискам.

Сравнивая числа, рассчитанные на основе ковариации, которые охватывают больше деталей, чем пара необработанных средних значений, они видят, коррелируют ли поля.

«Мы делаем это усреднение не так, как это делалось в прошлом, поэтому мы не теряем эту информацию в процессе усреднения, — сказал Колковиц. — Это часть того, что здесь особенного».

Так почему же ковариационная магнитометрия , как называется метод, до сих пор не была проверена?

Во-первых, команде пришлось построить экспериментальную установку для проведения одновременных измерений в нескольких центрах NV. Этот микроскоп был построен командой из Принстона под руководством профессора Натали де Леон, члена Центра совместного проектирования для Quantum Advantage, еще одного Национального исследовательского центра квантовой информации Министерства энергетики США, возглавляемого Брукхейвенской национальной лабораторией.

Во-вторых, ковариационная магнитометрия работает только тогда, когда отдельные измерения этих крошечных магнитных полей очень надежны. (Показания хороши настолько, насколько хороши сопутствующие им измерения.) Вот почему исследователи использовали специальную технику, называемую преобразованием спина в заряд, которая дает необработанные показания с большей информацией о магнитном поле для каждого измерения, чем другие обычно используемые инструменты.

При преобразовании спина в заряд отдельные измерения занимают больше времени. Это цена, которую ученые платят за более высокую надежность.

Однако в сочетании с ковариацией для измерения крошечных коррелированных магнитных полей это экономит массу времени.

«Используя обычный метод, вам нужно непрерывно усреднять 10 полных дней, чтобы получить один фрагмент данных, говорящий о том, что вы видели этот коррелированный сигнал нанотесла, — сказал Колковиц, — тогда как с этим новым методом это занимает час или два. »

Интегрируя информацию о ковариации с преобразованием спина в заряд, исследователи могут получить доступ к атомным и субатомным деталям, которых у них не было раньше, что значительно расширяет и без того мощные возможности квантового восприятия.

«Насколько я знаю, это то, что люди не пытались сделать, и поэтому мы видим эти корреляции там, где никто другой не смог», — сказал Колковиц. «Ты действительно выиграешь от этого».

Теги: квант, магнит

В тренде