רעש אלקטרומגנטי מהווה בעיית תקשורת משמעותית, מה שמביא את הספקים האלחוטיים להשקיע רבות בטכנולוגיות כדי להתגבר עליה. למרות היותו מטרד, הוא יכול לספר דברים רבים על ידי לימוד רעש. על ידי מדידת הרעש בחומר, פיזיקאים יכולים ללמוד את הרכבו, הטמפרטורה, כיצד האלקטרונים זורמים ופועלים זה עם זה, וכיצד הוא מסתובב ליצירת מגנטים. בדרך כלל קשה למדוד כיצד הרעש משתנה במרחב או בזמן.
מדענים ב אוניברסיטת פרינסטון ו אוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון יצרו שיטה למדידת רעש בחומר על ידי לימוד מתאמים. הם יכולים להשתמש במידע זה כדי ללמוד את המבנה המרחבי ואת האופי המשתנה בזמן של הרעש. השיטה משתמשת ביהלומים שעוצבו במיוחד עם מרכזי חנקן פנויים. שיטה זו, העוקבת אחר וריאציות דקות ב שדות מגנטיים, הוא התקדמות משמעותית לעומת קודמים שהעמידו ממוצע של קריאות שונות.
מבני היהלומים המבוקרים ביותר נקראים מרכזי חנקן (NV). מרכזי NV אלה הם שינויים בסריג אטום הפחמן של יהלום כאשר אטום פחמן מוחלף באטום חנקן, ויש חלל ריק, או מקום פנוי, לידו במבנה הכימי. יהלום עם מרכזי NV הוא אחד המכשירים הבודדים שיכולים לתעד שינויים בשדות מגנטיים בקנה מידה ובמהירות הנדרשים למחקרים חיוניים ב טכנולוגיה קוונטית ו פיזיקת החומר המעובה.
גם בעוד שמרכז NV בודד איפשר לנטר שדות מגנטיים בדיוק רב, רק כשהמדענים הבינו כיצד להשתמש במספר מרכזי NV הם יכלו לנתח את הארגון המרחבי של הרעש בחומר.
נטלי דה ליאון, פרופסור חבר להנדסת חשמל ומחשבים באוניברסיטת פרינסטון, אמרה, "זה פותח את הדלת להבנת המאפיינים של חומרים בעלי התנהגויות קוונטיות מוזרות שעד כה נותחו רק באופן תיאורטי."
"זו טכניקה חדשה ביסודה. זה ברור מנקודת מבט תיאורטית שזה יהיה מאוד חזק לעשות את זה. הקהל שלדעתי הכי מתרגש מהעבודה הזו הוא תיאורטיקנים של חומר דחוס; עכשיו כשיש את כל עולם התופעות הזה, אולי הם יוכלו לאפיין אחרת".
נוזל ספין קוונטי היא תופעה כזו, שבה אלקטרונים נמצאים כל הזמן בשטף, בניגוד ליציבות המצב המוצק המאפיינת חומר מגנטי טיפוסי כשהוא מקורר לטמפרטורה מסוימת.
דה ליאון אמר, "הדבר המאתגר בנוזל ספין קוונטי הוא שבהגדרה, אין סדר מגנטי סטטי, אז אתה לא יכול פשוט למפות שדה מגנטי" כפי שהיית עושה עם סוג אחר של חומר. עד עכשיו, לא הייתה שום דרך למדוד את מתאמי השדה המגנטי הדו-נקודתי הללו ישירות, ואנשים במקום זאת ניסו למצוא פרוקסי מסובכים למדידה הזו."
מדענים עשויים לקבוע כיצד אלקטרונים והספינים שלהם זורמים לאורך המרחב והזמן של החומר על ידי מדידת שדות מגנטיים בו זמנית במספר אתרים באמצעות חיישני יהלום. כדי ליצור את הטכניקה החדשה, הצוות חשף יהלום עם מרכזי NV לפולסי לייזר מכוילים ולאחר מכן הבחין בשני קוצים בספירת הפוטונים שהגיעו מזוג מרכזי NV, קריאה של סיבובי האלקטרונים בכל מרכז באותו רגע.
מחבר המחקר שמעון קולקוביץ, פרופסור חבר לפיזיקה באוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון, אמר, "אחד משני הספייקים האלה הוא אות שאנחנו מיישמים, השני הוא ספייק מהסביבה המקומית, ואין דרך להבחין בהבדל. אבל כשאנחנו מסתכלים על המתאמים, המתאם האחד הוא מהאות שאנחנו מיישמים, והשני לא. ואנחנו יכולים למדוד את זה, שאנשים לא יכלו למדוד לפני כן."
עיון ביומן:
- ג'ארד רובני, ז'יאנג יואן, מתיאס פיצפטריק ועוד. מגנטומטריה של שיתוף פעולה בקנה מידה ננו עם חיישני קוונטים יהלומים. מדע. DOI: 10.1126/science.ade9858
