تشكل الضوضاء الكهرومغناطيسية مشكلة كبيرة في الاتصالات، مما دفع شركات الاتصالات اللاسلكية إلى الاستثمار بكثافة في التقنيات للتغلب على هذه المشكلة. على الرغم من كونه مصدر إزعاج، فإنه يمكن أن يقول أشياء كثيرة من خلال دراسة الضوضاء. من خلال قياس الضوضاء في مادة ما، يمكن للفيزيائيين معرفة تركيبها، ودرجة حرارتها، وكيفية تدفق الإلكترونات وتفاعلها مع بعضها البعض، وكيف تدور لتشكل المغناطيس. ومن الصعب عمومًا قياس كيفية تغير الضوضاء في المكان أو الزمان.
العلماء في جامعة برينستون و جامعة ويسكونسن ماديسون ابتكروا طريقة لقياس الضوضاء في مادة ما من خلال دراسة الارتباطات. ويمكنهم استخدام هذه المعلومات لمعرفة البنية المكانية والطبيعة المتغيرة للضوضاء بمرور الوقت. تستخدم هذه الطريقة الماس المصمم خصيصًا مع مراكز الشواغر النيتروجينية. هذه الطريقة، التي تتتبع الاختلافات الدقيقة في الحقول المغناطيسية، يعد تقدمًا كبيرًا مقارنة بالقراءات السابقة التي بلغ متوسطها العديد من القراءات المختلفة.
تسمى هياكل الماس التي يتم التحكم فيها بشكل كبير بمراكز الشواغر النيتروجينية (NV). تعد مراكز NV هذه عبارة عن تعديلات على شبكة ذرة الكربون الخاصة بالألماس عندما يتم استبدال ذرة الكربون بذرة النيتروجين، وهناك مساحة فارغة، أو شاغرة، بجوارها في التركيب الكيميائي. يعد الماس ذو مراكز NV أحد الأدوات القليلة التي يمكنها تسجيل التغيرات في المجالات المغناطيسية بالحجم والسرعة المطلوبين للدراسات المهمة في تكنولوجيا الكم و فيزياء المادة المكثفة.
على الرغم من أن مركز NV واحد جعل من الممكن مراقبة المجالات المغناطيسية بدقة كبيرة، إلا أن العلماء لم يتمكنوا من تحليل التنظيم المكاني للضوضاء في المادة إلا بعد أن اكتشفوا كيفية استخدام العديد من مراكز NV.
وقالت ناتالي دي ليون، الأستاذة المشاركة في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة برينستون: "وهذا يفتح الباب أمام فهم خصائص المواد ذات السلوكيات الكمومية الغريبة التي تم تحليلها حتى الآن من الناحية النظرية فقط."
"إنها تقنية جديدة بشكل أساسي. من الواضح من الناحية النظرية أنه سيكون من القوي جدًا القيام بذلك. أعتقد أن الجمهور الأكثر حماسًا لهذا العمل هو منظرو المادة المكثفة؛ والآن بعد أن أصبح هناك عالم كامل من الظواهر، فقد يكون بمقدورهم وصفها بشكل مختلف.
السائل الكمي المغزلي هي إحدى هذه الظواهر، حيث تكون الإلكترونات في حالة تدفق مستمر، على عكس استقرار الحالة الصلبة الذي يميز المادة المغناطيسية النموذجية عند تبريدها إلى درجة حرارة معينة.
وقال دي ليون "إن الشيء الصعب في السائل الكمي المغزلي هو أنه بحكم التعريف، لا يوجد ترتيب مغناطيسي ثابت، لذلك لا يمكنك فقط رسم مجال مغناطيسي" كما تفعل مع نوع آخر من المواد. حتى الآن، لا توجد طريقة لقياس ارتباطات المجال المغناطيسي ذات النقطتين بشكل مباشر، وبدلاً من ذلك يحاول الناس العثور على وكلاء معقدين لهذا القياس.
قد يحدد العلماء كيفية تدفق الإلكترونات ودوراتها عبر مكان وزمان المادة عن طريق قياس المجالات المغناطيسية في وقت واحد في عدة مواقع باستخدام أجهزة استشعار الماس. لإنشاء تقنية جديدة، قام الفريق بتعريض ألماسة ذات مراكز NV لنبضات ليزر معايرة، وبعد ذلك لاحظوا ارتفاعين في عدد الفوتون قادمين من زوج من مراكز NV، وهي قراءة للإلكترون تدور في كل مركز في نفس اللحظة.
المؤلف المشارك في الدراسة شيمون كولكويتز، أستاذ مشارك في الفيزياء في جامعة ويسكونسن ماديسون، محمد, "أحد هذين الارتفاعين هو إشارة نطبقها، والآخر هو ارتفاع من البيئة المحلية، وليس هناك طريقة لمعرفة الفرق. ولكن عندما ننظر إلى الارتباطات، فإن الارتباط الأول هو من الإشارة التي نطبقها، والآخر ليس كذلك. ويمكننا قياس ذلك، وهو ما لم يتمكن الناس من قياسه من قبل.
المرجع مجلة:
- جاريد روفني، زيانج يوان، ماتياس فيتزباتريك، وآخرون. القياس المغناطيسي التغاير النانوي مع أجهزة استشعار الكم الماسية. علوم. دوى: 10.1126/science.ade9858
