Nhiễu điện từ đặt ra một vấn đề nghiêm trọng về truyền thông, khiến các nhà mạng không dây phải đầu tư mạnh vào công nghệ để khắc phục vấn đề này. Mặc dù gây phiền toái nhưng nó có thể nói lên nhiều điều bằng cách nghiên cứu tiếng ồn. Bằng cách đo tiếng ồn trong vật liệu, các nhà vật lý có thể tìm hiểu thành phần, nhiệt độ, cách các electron di chuyển và tương tác với nhau cũng như cách nó quay để tạo thành nam châm. Nói chung rất khó để đo lường tiếng ồn thay đổi như thế nào trong không gian hoặc thời gian.
Các nhà khoa học tại Đại học Princeton và Đại học Wisconsin-Madison đã tạo ra một phương pháp đo tiếng ồn trong vật liệu bằng cách nghiên cứu các mối tương quan. Họ có thể sử dụng thông tin này để tìm hiểu cấu trúc không gian và tính chất thay đổi theo thời gian của tiếng ồn. Phương pháp này sử dụng những viên kim cương được thiết kế đặc biệt với các tâm trống nitơ. Phương pháp này theo dõi những thay đổi nhỏ trong từ trường, là một tiến bộ đáng kể so với những cái trước đó tính trung bình nhiều chỉ số khác nhau.
Các cấu trúc kim cương được kiểm soát chặt chẽ được gọi là trung tâm chỗ trống nitơ (NV). Các trung tâm NV này là sự biến đổi của mạng nguyên tử carbon của kim cương khi một nguyên tử carbon được thay thế bằng nguyên tử nitơ và có một khoảng trống hoặc chỗ trống bên cạnh nó trong cấu trúc hóa học. Viên kim cương có tâm NV là một trong số ít dụng cụ có thể ghi lại những thay đổi của từ trường ở quy mô và tốc độ cần thiết cho các nghiên cứu quan trọng trong công nghệ lượng tử và Vật lý vật chất cô đặc.
Ngay cả khi một trung tâm NV duy nhất có thể giám sát từ trường với độ chính xác cao, phải đến khi các nhà khoa học tìm ra cách sử dụng một số trung tâm NV, họ mới có thể phân tích tổ chức không gian của tiếng ồn trong vật liệu.
Nathalie de Leon, phó giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại Đại học Princeton, cho biết: “Điều này mở ra cánh cửa cho sự hiểu biết các tính chất của vật liệu với những hành vi lượng tử kỳ lạ mà cho đến nay vẫn chỉ được phân tích trên lý thuyết.”
“Về cơ bản đây là một kỹ thuật mới. Rõ ràng từ góc độ lý thuyết là sẽ rất hiệu quả nếu làm được điều này. Đối tượng mà tôi nghĩ hào hứng nhất với tác phẩm này là các nhà lý thuyết vật chất ngưng tụ; bây giờ có cả thế giới hiện tượng này, họ có thể mô tả các đặc điểm khác nhau.”
Chất lỏng quay lượng tử là một trong những hiện tượng như vậy, trong đó các electron liên tục chuyển động, trái ngược với tính ổn định ở trạng thái rắn đặc trưng cho vật liệu từ tính điển hình khi được làm lạnh đến một nhiệt độ cụ thể.
de Leon đã nói, “Điều thách thức đối với chất lỏng spin lượng tử là ở chỗ, theo định nghĩa, không có trật tự từ tính tĩnh, vì vậy bạn không thể lập bản đồ từ trường” như cách bạn làm với một loại vật liệu khác. Cho đến nay, không có cách nào để đo trực tiếp các bộ tương quan từ trường hai điểm này và thay vào đó, người ta đang cố gắng tìm ra các biến đại diện phức tạp cho phép đo đó.”
Các nhà khoa học có thể xác định cách các electron và spin của chúng di chuyển trong không gian và thời gian của vật liệu bằng cách đo từ trường đồng thời tại một số vị trí bằng cảm biến kim cương. Để tạo ra kỹ thuật mới, nhóm nghiên cứu đã cho một viên kim cương có tâm NV tiếp xúc với các xung laser đã hiệu chỉnh và sau đó nhận thấy hai đột biến về số lượng photon đến từ một cặp tâm NV, số liệu spin của electron tại mỗi tâm cùng một lúc.
Đồng tác giả nghiên cứu Shimon Kolkowitz, phó giáo sư vật lý tại Đại học Wisconsin-Madison, nói, “Một trong hai mức tăng đột biến đó là tín hiệu chúng tôi đang áp dụng, mức còn lại là mức tăng đột biến từ môi trường địa phương và không có cách nào để phân biệt được sự khác biệt. Nhưng khi chúng ta xem xét các mối tương quan, một tương quan là từ tín hiệu chúng ta đang áp dụng, còn một thì không. Và chúng tôi có thể đo lường được điều đó, điều mà trước đây mọi người không thể đo lường được.”
Tạp chí tham khảo:
- Jared Rovny, Zhiyang Yuan, Mattias Fitzpatrick và những người khác. Từ kế hiệp phương sai quy mô nano với cảm biến lượng tử kim cương. Khoa học. DOI: 10.1126/science.ade9858
