Hałas elektromagnetyczny stanowi poważny problem komunikacyjny, co skłania operatorów sieci bezprzewodowych do znacznych inwestycji w technologie umożliwiające jego pokonanie. Mimo że jest uciążliwy, może wiele powiedzieć, badając hałas. Mierząc szum w materiale, fizycy mogą poznać jego skład, temperaturę, przepływ elektronów i wzajemne interakcje oraz sposób wirowania materiału, tworząc magnesy. Generalnie trudno jest zmierzyć, jak hałas zmienia się w przestrzeni i czasie.
Naukowcy w Princeton University oraz Uniwersytet Wisconsin-Madison stworzyli metodę pomiaru hałasu w materiale poprzez badanie korelacji. Mogą wykorzystać te informacje do poznania struktury przestrzennej i zmiennego w czasie charakteru hałasu. W metodzie tej wykorzystuje się specjalnie zaprojektowane diamenty z centrami wakatów azotowych. Ta metoda, która śledzi drobne zmiany w Pola magnetyczne, stanowi znaczny postęp w porównaniu z wcześniejszymi, w których uśredniano wiele różnych odczytów.
Wysoce kontrolowane struktury diamentowe nazywane są centrami wakatów azotowych (NV). Te centra NV są modyfikacjami sieci atomów węgla diamentu, gdy atom węgla zostaje zamieniony na atom azotu, a obok niego w strukturze chemicznej pojawia się pusta przestrzeń lub wakat. Diament z centrami NV jest jednym z niewielu instrumentów, które mogą rejestrować zmiany w polach magnetycznych w skali i prędkości wymaganej do kluczowych badań w technologia kwantowa i Fizyka materii skondensowanej.
Chociaż pojedyncze centrum NV umożliwiło monitorowanie pól magnetycznych z dużą precyzją, dopiero naukowcy odkryli, jak wykorzystać kilka ośrodków NV, aby móc analizować przestrzenną organizację szumu w materiale.
Nathalie de Leon, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej na Uniwersytecie Princeton, powiedziała: „To otwiera drzwi do zrozumienia właściwości materiałów o dziwacznych zachowaniach kwantowych, które do tej pory były analizowane jedynie teoretycznie”.
„To całkowicie nowa technika. Z teoretycznego punktu widzenia jasne jest, że byłoby to bardzo potężne. Publiczność, która moim zdaniem jest najbardziej podekscytowana tą pracą, to teoretycy materii skondensowanej; teraz, gdy istnieje cały świat zjawisk, mogą być w stanie scharakteryzować je inaczej”.
Kwantowy płyn spinowy to jedno z takich zjawisk, w którym elektrony podlegają ciągłemu przepływowi, w przeciwieństwie do stabilności w stanie stałym, która charakteryzuje typowy materiał magnetyczny po schłodzeniu do określonej temperatury.
De Leon powiedział, „Wyzwaniem związanym z kwantową cieczą spinową jest to, że z definicji nie ma statycznego uporządkowania magnetycznego, więc nie można po prostu zmapować pola magnetycznego”, tak jak w przypadku innego rodzaju materiału. Do tej pory nie było możliwości bezpośredniego zmierzenia tych dwupunktowych korelatorów pola magnetycznego i zamiast tego ludzie próbowali znaleźć skomplikowane wskaźniki zastępcze do tego pomiaru.
Naukowcy mogą określić, w jaki sposób elektrony i ich spiny przepływają w przestrzeni i czasie materiału, mierząc pola magnetyczne jednocześnie w kilku miejscach za pomocą czujników diamentowych. Aby stworzyć nowatorską technikę, zespół poddał diament z centrami NV skalibrowanym impulsom laserowym, a następnie zauważył dwa skoki liczby fotonów pochodzące z pary centrów NV, co stanowiło odczyt spinów elektronów w każdym centrum w tym samym momencie.
Współautor badania Shimon Kolkowitz, profesor fizyki na Uniwersytecie Wisconsin-Madison, powiedziany, „Jeden z tych dwóch impulsów to sygnał, który podajemy, drugi to impuls pochodzący z lokalnego środowiska i nie ma sposobu, aby odróżnić. Kiedy jednak przyjrzymy się korelacjom, okazuje się, że ta jest skorelowana z sygnałem, który stosujemy, a druga nie. I możemy to zmierzyć, czego ludzie wcześniej nie mogli zmierzyć”.
Referencje czasopisma:
- Jared Rovny, Zhiyang Yuan, Mattias Fitzpatrick i in. Magnetometria kowariancji w skali nano z diamentowymi czujnikami kwantowymi. nauka, DOI: 10.1126/science.ade9858
