Оглавление
Такие датчики используют возможность воздействия на квантовые объекты внешними факторами, которые могут быть измерены с точностью и чувствительностью, недоступными традиционными методами измерения. Из всех решений — помимо датчиков ведутся также работы над квантовыми компьютерами и квантовой связью — первые менее всего известны, хотя они реализованы до сих пор в наибольшем количестве. Причем сложность отслеживания прогресса в использовании датчиков этого типа обусловлена разнообразием их применения.
Что такое квантовые датчики
Квантовые датчики используются во многих областях науки и техники. Значительный вклад вносят, среди прочего, в физику. Их использовали при исследовании гравитационных волн — деформаций пространства-времени, сопровождающих слияние черных дыр. Следующее их применение — квантовые вычисления, в которых они считывают кубиты, являющиеся основной единицей квантовой информации.
Важной областью применения выступает мониторинг параметров окружающей среды. Благодаря тому, что они обнаруживают даже минимальное количества веществ, их используют в исследованиях воздуха, воды и суши. Их также используют для изучения магнитного поля Земли, исследования подземных ресурсов и обнаружения сейсмической активности. Поскольку они обнаруживают мельчайшие различия в биологических образцах, они являются чувствительным инструментом медицинской диагностики. Квантовые датчики измеряющие время и положение, могут совершить революцию в методах навигации и позиционирования.
Квантовые явления
Эти датчики используют явления, характерные для элементарных частиц, которые описываются квантовой механикой. Одним из ее основных понятий является суперпозиция. Данное свойство позволяет частицам существовать во многих различных состояниях одновременно. В датчиках это используется, например, для проверки заданной величины одновременно во многих диапазонах ее изменчивости, что увеличивает чувствительность измерения.
Еще одним явлением, характерным для элементарных частиц, которое используется в измерениях, является запутанность. Это корреляция между двумя или более частицами, посредством которой связаны их свойства, независимо от расстояния разделяющего их. Датчики, использующие запутанные частицы, такие как квантовые акселерометры и атомные часы, обладают большей точностью, чувствительностью и пониженным шумом. Стабильность квантовых сенсоров обеспечивается свойством когерентности, то есть способностью частиц сохранять суперпозицию и запутанность с течением времени.
Следующее явление — квантовое туннелирование. В нем элементарные частицы преодолевают энергетические барьеры с энергией, превышающей их собственную. Квантовые датчики используют туннелирование для обнаружения крошечных изменений энергии, что делает их очень чувствительными. Квантовые датчики, основанные на явлении интерференции квантовых состояний частиц, используются для измерения длины и фазы с высокой точностью.
Квантовые датчики конструируются, среди прочего, на основе атомных паров, холодных атомов и легирования материалов. Что касается третьего решения, то в последние годы особое внимание уделяется алмазам с азотно-вакансионными центрами окраски из-за их отличительных свойств.
Алмазы – это кристаллы, состоящие исключительно из атомов углерода. Они обладают превосходной прозрачностью во всем видимом спектре света, отличаются твердостью и отличными механическими свойствами. Они также характеризуются высокой теплопроводностью. Алмазы встречаются в природе, но их можно производить путем осаждения атомов углерода слой за слоем. Искусственные кристаллы можно контролируемым образом легировать, изменяя тем самым их свойства.
Центры окраски – это дефекты кристаллической решетки, способные поглощать и излучать свет. Таковы Азотно-вакансионные центры (НВ). Они состоят из атома азота и вакансии, т.е. узла кристаллической решетки без атома. Первым применением NV-центров в квантовой технологии было их использование в качестве излучателей одиночных фотонов в квантовой криптографии.
Датчики магнитного поля
Облучение азотно-вакансионного центра лазерным лучом с длиной волны 532 нм (зеленый лазер) вызывает оптический переход между возбужденным и основным состояниями. Это, в свою очередь, приводит к излучению излучения с длиной волны 637 нм (красный свет). Тогда NV-центр оказывается на самом низком энергетическом уровне, становясь квантовым объектом, на который можно влиять. Для этого используется микроволновое излучение частотой 2,87 ГГц, вызывающее резонанс и возвращающее азотно-вакансионный центр на более высокий энергетический уровень. Это приводит к уменьшению интенсивности флуоресценции.
Способность оптически обнаруживать резонанс является свойством НВ-центров, позволяющим использовать их в качестве измерительных элементов. Стоит подчеркнуть, что он доступен при комнатной температуре и стандартных условиях. Это преимущество, благодаря которому квантовые датчики становятся популярными быстрее, чем квантовые компьютеры, для работы которых требуются криогенные условия.
Описанные частицы обладают определенным внутренним магнитным моментом, т.е. спином. Приложение к ним внешнего магнитного поля вызывает сдвиг энергетических уровней (эффект Зеемана). Это вызывает изменение резонансной частоты. Измерив его, можно определить напряженность магнитного поля, действующего на центр НВ в направлении его оси. Используя несколько таких квантовых объектов, можно измерить как величину, так и направление магнитного поля. Измерения магнитного поля с использованием азот-вакансионных центров в алмазе возможны на нанометровом уровне.
Сканирующая магнитометрия
Примером использования НВ-центров является сканирующая магнитометрия. В этом методе в зонд атомно-силового микроскопа встраивают алмазную головку с одним азотно-вакансионным центром. Сканирование с его помощью образца магнитного материала позволяет восстановить его структуру, как правило, с пространственным разрешением в несколько десятков нм.
Сканирующая магнитометрия — это новый метод измерений, который благодаря квантовым датчикам с NV-центрами позволяет изучать такие структуры, как антиферромагнитные домены, с беспрецедентным разрешением. Это открывает совершенно новые возможности для развития таких инновационных областей, как спинтроника и наномагнетизм.
Кроме того, квантовые объекты NV могут измерять и другие величины. Например, сдвиг резонансной частоты может быть вызван изменениями в структуре кристаллической решетки, вызванными давлением или температурой.
Продолжаются работы по использованию квантовых сенсоров при анализе химической структуры на уровне отдельной молекулы. Для этого его пришлось бы поместить на поверхность кристалла алмаза с единственным азотно-вакансионным центром, расположенным всего на несколько нанометров ниже поверхности. Из-за такого микроскопического расстояния NV-центр будет реагировать на магнитное поле одного атомного ядра. Это позволило бы отслеживать химически индуцированные соседними ядрами сдвиги и получать информацию о структуре молекулы. На базе сенсоров такого типа планируется создать «лабораторные на чипе» спектрометры ядерного магнитного резонанса. Это произвело бы революцию в медицинской диагностике.
Также проводятся исследования по использованию NV-центров в поляризации молекул, используемых в качестве маркеров в устройствах магнитно-резонансной томографии. Ожидается, что успех в этой области позволит создавать аппараты МРТ гораздо меньшего размера и дешевле, чем существующие. Это повысит доступность этого метода в медицинской диагностике.
Описанные применения NV-центров основаны на оптическом магнитно-резонансном детектировании. Оказывается, возможен альтернативный метод фотоэлектрического обнаружения. В этом случае электроны, возбужденные в центрах азотных вакансий, захватываются электродом, расположенным на поверхности алмаза, и генерируют электрический ток, который и становится измерительным сигналом. Развитие этой методики позволит разработать более компактные квантовые датчики.
