Czujniki kwantowe

Czujniki kwantowe znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i techniki. Znaczący wkład wnoszą m.in. w fizykę umożliwiając odkrywanie tajemnic wszechświata. Zostały wykorzystane na przykład w badaniach fal grawitacyjnych, czyli odkształceń czasoprzestrzeni towarzyszących m.in. łączeniu się czarnych dziur. Kolejną ich aplikacją są obliczenia kwantowe, w których odczytują kubity będące podstawową jednostką informacji kwantowej.

Ważnym obszarem zastosowań jest monitorowanie parametrów środowiskowych. Dzięki temu, że wykrywają nawet śladowe ilości substancji, są używane w badaniach powietrza, wody i gruntów. Wykorzystuje się je też do badania pola magnetycznego Ziemi, eksploracji zasobów podziemnych i detekcji aktywności sejsmicznej. Ponieważ wykrywają drobne różnice w próbkach biologicznych, są czułym narzędziem w diagnostyce medycznej. Czujniki kwantowe mierzące czas i położenie mają potencjał, by zrewolucjonizować techniki nawigacji i pozycjonowania.

Zjawiska kwantowe

W tytułowych czujnikach wykorzystuje się zjawiska specyficzne dla cząstek elementarnych, które opisuje mechanika kwantowa. Jednym z jej podstawowych pojęć jest superpozycja. To właściwość pozwalająca cząstkom istnieć w wielu różnych stanach jednocześnie. W czujnikach wykorzystuje się to na przykład do badania danej wielkości równocześnie w wielu przedziałach jej zmienności. Zwiększa to czułość pomiaru.

Kolejnym zjawiskiem charakterystycznym dla cząstek elementarnych znajdującym zastosowanie w pomiarach jest splątanie. Jest to korelacja między dwoma albo większą liczbą cząstek, dzięki której ich właściwości są powiązane, niezależnie od dzielącej je odległości. Czujniki, które wykorzystują splątane cząstki, na przykład akcelerometry kwantowe i zegary atomowe, mają większą precyzję, czułość i ograniczone szumy. Stabilność czujników kwantowych zapewnia właściwość koherencji, czyli zdolność cząstek do utrzymywania superpozycji i splątania w czasie.

Kolejne zjawisko to tunelowanie kwantowe. Polega ono na pokonywaniu przez cząstki elementarne barier energetycznych o energii większej niż ich własna. Czujniki kwantowe wykorzystują tunelowanie do wykrywania niewielkich zmian energii, dzięki czemu są bardzo czułe. Do pomiaru z dużą precyzją długości i fazy służą z kolei sensory kwantowe bazujące na zjawisku nakładania się (interferencji) stanów kwantowych cząstek.

Czujniki kwantowe

Czujniki kwantowe konstruuje się m.in. w oparciu o pary atomowe (atomic vapours), zimne atomy (cold atoms) i domieszkowanie materiałów. Jeżeli chodzi o trzecie rozwiązanie, w ostatnich latach szczególna uwaga poświęcana była diamentom z centrami barwnymi azot–wakancja ze względu na ich wyróżniające właściwości.

Diamenty to kryształy zbudowane wyłącznie z atomów węgla. Mają doskonałą przezroczystość w całym spektrum światła widzialnego. Wyróżnia je twardość i doskonałe właściwości mechaniczne. Cechuje je również duża przewodność cieplna. Diamenty występują w przyrodzie naturalnie, ale można je też produkować, osadzając atomy węgla warstwa po warstwie. Sztuczne kryształy można w sposób kontrolowany domieszkować, modyfikując w ten sposób ich właściwości.

Centrami barwnymi określane są defekty w sieci krystalicznej, które są zdolne do absorpcji i emisji światła. Takimi są centra azot–wakancja (Nitrogen – Vacancy, NV). Składają się z atomu azotu i wakancji, czyli węzła sieci krystalicznej nieobsadzonego atomem. Pierwszym zastosowaniem centrów NV w technice kwantowej było wykorzystanie ich jako emiterów pojedynczych fotonów w kryptografii kwantowej.

Czujniki pola magnetycznego

Naświetlenie centrum azot–wakancja wiązką promieniowania laserowego o długości fali 532 nm (zielony laser) indukuje przejście optyczne między stanem wzbudzonym i podstawowym. To z kolei skutkuje emisją promieniowania o długości fali 637 nm (światło czerwone). Centrum NV znajduje się wówczas na najniższym poziomie energetycznym, stając się obiektem kwantowym, na który można oddziaływać. W tym celu wykorzystuje się promieniowanie mikrofalowe o częstotliwości 2,87 GHz, wywołując rezonans i powrót centrum azot–wakancja na wyższy poziom energetyczny. To skutkuje spadkiem intensywności fluorescencji.

Zdolność optycznej detekcji rezonansu jest właściwością centrów NV, dzięki której możliwe jest ich wykorzystanie jako elementów pomiarowych. Warto podkreślić, że jest osiągalna w temperaturze pokojowej i standardowych warunkach. To zaleta, dzięki której sensory kwantowe upowszechniają się szybciej niż komputery kwantowe wymagające do działania warunków kriogenicznych.

Opisywane cząstki mają określony wewnętrzny moment magnetyczny, czyli spin. Przyłożenie do nich zewnętrznego pola magnetycznego wywołuje przesunięcie poziomów energetycznych (efekt Zeemana). To powoduje zmianą częstotliwości rezonansowej. Mierząc ją, można określić natężenie pola magnetycznego, które oddziałuje na centrum NV w kierunku jego osi. Wykorzystując kilka takich obiektów kwantowych można mierzyć zarówno wartość, jak i kierunek pola magnetycznego. Pomiary pola magnetycznego przy użyciu centrów azot–wakancja w diamencie są możliwe w skali nanometrowej.

Magnetometria skaningowa

Przykład wykorzystania centrów NV to magnetometria skaningowa. W technice tej diamentową głowicę z pojedynczym centrum azot–wakancja wbudowuje się w sondę mikroskopu sił atomowych (atomic force microscope). Skanowanie próbki materiału magnetycznego za jej pomocą pozwala na odtworzenie jej struktury typowo z rozdzielczością przestrzenną rzędu kilkudziesięciu nm.

Magnetometria skaningowa jest nową techniką pomiarową, która dzięki czujnikom kwantowym z centrami NV umożliwia badanie struktur takich jak domeny antyferromagnetyczne z niespotykaną dotąd rozdzielczością. To otwiera zupełnie nowe możliwości rozwoju takich innowacyjnych dziedzin jak spintronika i nanomagnetyzm.

Poza tym obiekty kwantowe NV mogą również mierzyć inne wielkości. Przykładowo przesunięcie częstotliwości rezonansowej może być powodowane przez zmiany w strukturze sieci krystalicznej wywoływane przez ciśnienie albo temperaturę.

Przyszłe zastosowania

Trwają też prace nad wykorzystaniem czujników kwantowych w analizie struktury chemicznej na poziomie pojedynczej cząsteczki. W tym celu należałoby ją umieścić na powierzchni kryształu diamentu z pojedynczym centrum azot–wakancja, znajdującym się zaledwie kilka nanometrów pod powierzchnią. Dzięki tak mikroskopijnej odległości centrum NV reagowałoby na pole magnetyczne pojedynczego jądra atomowego. Pozwalałoby to na śledzenie przesunięć indukowanych chemicznie przez sąsiednie jądra i uzyskiwanie informacji o strukturze cząsteczki. W oparciu o czujniki tego typu mają być budowane spektrometry magnetyczne rezonansu jądrowego w wersji lab-on-a-chip. To zrewolucjonizowałoby diagnostykę medyczną.

Prowadzi się także badania nad wykorzystaniem centrów NV w polaryzacji cząsteczek używanych jako markery w urządzeniach do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego. Oczekuje się, że sukces w tej dziedzinie pozwoliłby to budowanie aparatów MRI znacznie mniejszych i tańszych od istniejących. To zwiększyłoby dostępność tej techniki w diagnostyce medycznej.

Opisane zastosowania centrów NV opierają się na optycznej detekcji rezonansu magnetycznego. Jak się okazuje, możliwa jest alternatywna technika detekcji fotoelektrycznej. W takim przypadku elektrony wzbudzone w centrach azot–wakancja są wychwytywane przez elektrodę osadzoną na powierzchni diamentu i wytwarzają prąd elektryczny, który staje się sygnałem pomiarowym. Rozwój tej techniki pozwoli na opracowanie bardziej kompaktowych czujników kwantowych.

Monika Jaworowska