Zgomotul electromagnetic reprezintă o problemă semnificativă de comunicare, determinând operatorii de telefonie wireless să investească masiv în tehnologii pentru a-l depăși. În ciuda faptului că este o pacoste, poate spune multe lucruri studiind zgomotul. Măsurând zgomotul dintr-un material, fizicienii pot afla compoziția acestuia, temperatura, cum circulă electronii și interacționează între ei și cum se rotește pentru a forma magneți. În general, este dificil de măsurat modul în care zgomotul se modifică în spațiu sau timp.
Oamenii de știință de la Princeton University si Universitatea din Wisconsin-Madison au creat o metodă de măsurare a zgomotului dintr-un material prin studierea corelațiilor. Ei pot folosi aceste informații pentru a afla structura spațială și natura variabilă în timp a zgomotului. Metoda folosește diamante special concepute cu centre de azot liber. Această metodă, care urmărește variațiile minute în câmpuri magnetice, este un progres semnificativ față de cele anterioare care au avut o medie a numeroase lecturi diferite.
Structurile diamantate extrem de controlate sunt numite centre de vacanță de azot (NV). Acești centri NV sunt modificări ale rețelei atomului de carbon al unui diamant atunci când un atom de carbon este schimbat cu un atom de azot și există un spațiu gol, sau un loc liber, lângă el în structura chimică. Un diamant cu centre NV este unul dintre puținele instrumente care pot înregistra modificări ale câmpurilor magnetice la scara și viteza necesare pentru studiile cruciale în tehnologia cuantică și fizica materiei condensate.
Chiar dacă un singur centru NV a făcut posibilă monitorizarea câmpurilor magnetice cu mare precizie, abia când oamenii de știință și-au dat seama cum să folosească mai multe centre NV au putut analiza organizarea spațială a zgomotului dintr-un material.
Nathalie de Leon, profesor asociat de inginerie electrică și informatică la Universitatea Princeton, a spus: „Acest lucru deschide ușa pentru înțelegerea proprietăților materialelor cu comportamente cuantice bizare, care până acum au fost analizate doar teoretic.”
„Este o tehnică fundamental nouă. Din punct de vedere teoretic, este clar că ar fi foarte puternic să faci asta. Publicul care cred că este cel mai încântat de această lucrare este teoreticienii materiei condensate; acum că există toată această lume a fenomenelor, ei ar putea fi capabili să caracterizeze diferit.”
Lichid de spin cuantic este un astfel de fenomen, în care electronii sunt în flux constant, în contrast cu stabilitatea în stare solidă care caracterizează un material magnetic tipic atunci când este răcit la o anumită temperatură.
de Leon a spus, „Lucrul provocator despre un lichid cu spin cuantic este că, prin definiție, nu există o ordonare magnetică statică, așa că nu poți să cartografiezi un câmp magnetic”, așa cum ai face cu un alt tip de material. Până acum, nu a existat nicio modalitate de a măsura direct aceste corelatoare de câmp magnetic în două puncte, iar oamenii au încercat, în schimb, să găsească proxy complicati pentru măsurarea respectivă.”
Oamenii de știință pot determina modul în care electronii și spinurile lor curg în spațiul și timpul unui material prin măsurarea simultană a câmpurilor magnetice în mai multe locuri cu senzori de diamant. Pentru a crea noua tehnică, echipa a expus un diamant cu centri NV la impulsuri laser calibrate și apoi a observat două vârfuri ale numărului de fotoni provenind de la o pereche de centri NV, o citire a spinurilor electronilor la fiecare centru în același moment.
Coautor al studiului, Shimon Kolkowitz, profesor asociat de fizică la Universitatea din Wisconsin-Madison, a spus, „Unul dintre aceste două vârfuri este un semnal pe care îl aplicăm, celălalt este un vârf din mediul local și nu există nicio modalitate de a face diferența. Dar când ne uităm la corelații, cea corelată este de la semnalul pe care îl aplicăm, iar cealaltă nu. Și putem măsura asta, ceea ce oamenii nu puteau măsura înainte.”
Referința jurnalului:
- Jared Rovny, Zhiyang Yuan, Mattias Fitzpatrick și colab. Magnetometrie de covarianță la scară nanometrică cu senzori cuantici de diamant. Ştiinţă. DOI: 10.1126/science.ade9858
