Elektromagnetisk støy utgjør et betydelig kommunikasjonsproblem, og får trådløse operatører til å investere tungt i teknologier for å overvinne det. Til tross for at den er en plage, kan den fortelle mange ting ved å studere støy. Ved å måle støyen i et materiale kan fysikere lære dets sammensetning, temperatur, hvordan elektroner flyter og samhandler med hverandre, og hvordan det spinner for å danne magneter. Det er generelt vanskelig å måle hvordan støyen endres i rom eller tid.
Forskere på Princeton University og University of Wisconsin-Madison har laget en metode for å måle støy i et materiale ved å studere korrelasjoner. De kan bruke denne informasjonen til å lære støyens romlige struktur og tidsvarierende natur. Metoden bruker spesialdesignede diamanter med nitrogen-ledige sentre. Denne metoden, som sporer minuttvariasjoner i magnetiske felter, er et betydelig fremskritt i forhold til tidligere som hadde gjennomsnittlig mange forskjellige avlesninger.
De svært kontrollerte diamantstrukturene kalles nitrogen vacancy (NV) sentre. Disse NV-sentrene er modifikasjoner av en diamants karbonatomgitter når et karbonatom er byttet ut med et nitrogenatom, og det er et tomt rom, eller ledig plass, ved siden av det i den kjemiske strukturen. En diamant med NV-sentre er et av få instrumenter som kan registrere endringer i magnetiske felt i den skalaen og hastigheten som kreves for viktige studier i kvanteteknologi og kondensert materie fysikk.
Selv om et enkelt NV-senter gjorde det mulig å overvåke magnetiske felt med stor presisjon, var det ikke før forskerne fant ut hvordan de kunne bruke flere NV-sentre at de kunne analysere den romlige organiseringen av støy i et materiale.
Nathalie de Leon, førsteamanuensis i elektro- og datateknikk ved Princeton University, sa: "Dette åpner døren for å forstå egenskapene til materialer med bisarr kvanteatferd som til nå kun har blitt analysert teoretisk."
«Det er en fundamentalt ny teknikk. Det er klart fra et teoretisk perspektiv at det ville være veldig kraftfullt å gjøre dette. Publikum som jeg tror er mest begeistret for dette arbeidet er teoretikere av kondensert materie; nå som det er hele denne verden av fenomener, kan de kanskje karakterisere annerledes.»
Kvantespinn væske er et slikt fenomen, hvor elektroner konstant er i fluks, i motsetning til faststoffstabiliteten som kjennetegner et typisk magnetisk materiale når det avkjøles til en bestemt temperatur.
de Leon sa, "Det utfordrende med en kvantespinnvæske er at det per definisjon ikke er noen statisk magnetisk rekkefølge, så du kan ikke bare kartlegge et magnetfelt" som du ville gjort med en annen type materiale. Til nå har det ikke vært noen måte å måle disse topunkts magnetfeltkorrelatorene direkte, og folk har i stedet prøvd å finne kompliserte proxyer for den målingen.»
Forskere kan bestemme hvordan elektroner og deres spinn flyter gjennom et materiales rom og tid ved å måle magnetiske felt samtidig på flere steder med diamantsensorer. For å lage den nye teknikken, eksponerte teamet en diamant med NV-sentre for kalibrerte laserpulser og la etterpå merke til to topper i fotontellinger som kom fra et par NV-sentre, en avlesning av elektronspinnene ved hvert senter på samme øyeblikk.
Studiemedforfatter Shimon Kolkowitz, en førsteamanuensis i fysikk ved University of Wisconsin-Madison, sa, «En av disse to toppene er et signal vi bruker, den andre er en pigg fra lokalmiljøet, og det er ingen måte å se forskjell på. Men når vi ser på korrelasjonene, er den ene korrelerte fra signalet vi bruker, og den andre ikke. Og vi kan måle det, som folk ikke kunne måle før.»
Tidsreferanse:
- Jared Rovny, Zhiyang Yuan, Mattias Fitzpatrick, et al. Nanoskala kovariansmagnetometri med diamant kvantesensorer. Vitenskap. GJØR JEG: 10.1126/science.ade9858
