سنسور کوانتومی MIT می‌تواند سیگنال‌های الکترومغناطیسی هر فرکانسی را تشخیص دهد

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۱۰ جولای، ۲۰۲۲
لینک منبع: MIT Quantum Sensor Can Detect Electromagnetic Signals of Any Frequency

مهندسان MIT قابلیت‌های این آشکارسازهای فوق حساس در مقیاس نانو را با کاربردهای بالقوه برای سنجش بیولوژیکی و محاسبات کوانتومی گسترش می‌دهند.

با توانایی تشخیص بیش‌ترین تغییرات دقیقه در میدان‌های مغناطیسی یا الکتریکی، سنسورهای کوانتومی اندازه‌گیری‌های دقیق در علم مواد و فیزیک بنیادی را ممکن ساخته‌اند. با این حال، این سنسورها کارایی محدودی دارند زیرا تنها قادر به تشخیص تعداد کمی از فرکانس‌های خاص این زمینه‌ها هستند. در حال حاضر، محققان MIT روشی را توسعه داده‌اند که چنین سنسورهایی را قادر می‌سازد تا هر فرکانس دل‌خواهی را بدون از دست دادن توانایی اندازه‌گیری ویژگی‌های در مقیاس نانومتری شناسایی کنند.

روش جدید در مقاله منتشر شده در مجله Physical Review X توسط دانشجوی تحصیلات تکمیلی گوکینگ وانگ، استاد علوم هسته‌ای و مهندسی و فیزیک پائولا کاپلارو و چهار نفر دیگر در MIT و آزمایشگاه لینکلن توضیح داده شده‌است. این تیم پیش از این برای حفاظت از حق ثبت اختراع برای این روش جدید درخواست داده بود.

اگرچه حسگرهای کوانتومی می‌توانند اشکال مختلفی داشته باشند، اما در اصل آنها سیستم‌هایی هستند که در آن برخی از ذرات در آن حالت متعادلی دارند که حتی تحت تأثیر تغییرات کوچک در میدان‌هایی که در معرض آن‌‌ها قرار دارند، قرار می‌گیرند. این‌ها می‌توانند به شکل اتم‌های خنثی، یون‌های به‌دام‌افتاده و اسپین‌های حالت جامد باشند و تحقیقات با استفاده از چنین سنسورهایی به سرعت رشد کرده‌است. برای مثال، فیزیک‌دانان از آن‌ها برای بررسی حالت‌های عجیب و غریب ماده، شامل بلورهای زمانی و فازهای توپولوژیکی استفاده می‌کنند، در حالی که دانشمندان دیگر از آن‌ها برای توصیف دستگاه‌های عملی مانند حافظه کوانتومی تجربی یا دستگاه‌های محاسباتی استفاده می‌کنند. با این حال، بسیاری از پدیده‌های دیگر مورد علاقه، گستره فرکانسی بسیار گسترده‌تری را نسبت به سنسورهای کوانتومی امروزی که می‌توانند تشخیص دهند، در بر می‌گیرند.

محققان MIT روشی را توسعه داده‌اند که سنسورهای کوانتومی را قادر می‌سازد تا هر فرکانس دل‌خواه را بدون از دست دادن توانایی اندازه‌گیری ویژگی‌های در مقیاس نانومتری شناسایی کنند. حسگرهای کوانتومی کوچک‌ترین تغییرات میدان‌های مغناطیسی یا الکتریکی را تشخیص می‌دهند، اما تاکنون تنها قادر به تشخیص چند فرکانس خاص بوده‌اند که سودمندی آن‌ها را محدود کرده‌است.

سیستم جدیدی که این تیم ابداع کرد، که آن‌ها آن را میکسر کوانتومی می‌نامند، فرکانس دوم را با استفاده از پرتو امواج مایکروویو به آشکارساز تزریق می‌کند. این امر فرکانس میدان مورد مطالعه را به یک فرکانس متفاوت -تفاوت بین فرکانس اصلی و سیگنال اضافه‌شده- تبدیل می‌کند که با فرکانس خاصی تنظیم می‌شود که آشکارساز نسبت به آن بسیار حساس است. این فرآیند ساده، آشکارساز را قادر می‌سازد تا در هر فرکانس مورد نظر، بدون هیچ کاهشی در وضوح فضایی در مقیاس نانو سنسور، به خانه بازگردد.

در آزمایش‌های آن‌ها، این تیم از یک دستگاه خاص مبتنی‌بر آرایه‌ای از مراکز جای خالی نیتروژن در الماس، یک سیستم حسگر کوانتومی که به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد، استفاده کرد و به‌طور موفقیت‌آمیزی تشخیص یک سیگنال با فرکانس ۱۵۰ مگا هرتز، با استفاده از یک آشکارساز کیوبیت با فرکانس ۲۲ گیگا هرتز را نشان داد -آشکارسازی که بدون مولتی پلکسر کوانتومی غیرممکن خواهد بود. سپس آن‌ها با استخراج یک چارچوب نظری براساس تئوری فلوکت و آزمایش پیش‌بینی‌های عددی آن نظریه در یک سری از آزمایش‌ها، تحلیل‌های دقیق‌تری از این فرآیند انجام دادند.

وانگ می‌گوید در حالی که آزمایش‌های آن‌ها از این سیستم خاص استفاده می‌کردند، «همین اصل را می‌توان برای هر نوع حسگر یا دستگاه کوانتومی نیز اعمال کرد.» این سیستم مستقل خواهد بود و آشکارساز و منبع فرکانس دوم همگی در یک دستگاه واحد بسته‌بندی می‌شوند.

وانگ می‌گوید که این سیستم می‌تواند برای مثال برای توصیف دقیق عملکرد آنتن‌های مایکرویو مورد استفاده قرار گیرد. او می‌گوید: «این امر می‌تواند توزیع میدان [تولید شده توسط آنتن] را با وضوح در مقیاس نانو مشخص کند، بنابراین در این جهت بسیار امیدوارکننده است.»

راه‌های دیگری نیز برای تغییر حساسیت فرکانسی برخی از سنسورهای کوانتومی وجود دارد، اما این روش‌ها نیازمند استفاده از دستگاه‌های بزرگ و میدان‌های مغناطیسی قوی هستند که جزئیات ریز را تار کرده و دست‌یابی به وضوح بسیار بالا که سیستم جدید ارائه می‌دهد را غیرممکن می‌سازند. وانگ می‌گوید: «در چنین سیستم‌هایی امروز، شما باید از یک میدان مغناطیسی قوی برای تنظیم سنسور استفاده کنید، اما میدان مغناطیسی می‌تواند به‌طور بالقوه خواص مواد کوانتومی را بشکند، که می‌تواند بر پدیده‌هایی که شما می‌خواهید اندازه‌گیری کنید، تاثیر بگذارد.»

به گفته Cappellaro، این سیستم ممکن است کاربردهای جدیدی را در زمینه‌های زیست‌پزشکی باز کند، زیرا می‌تواند طیف وسیعی از فرکانس‌های فعالیت الکتریکی یا مغناطیسی را در سطح یک سلول در دسترس قرار دهد. او می‌گوید، به دست آوردن وضوح مفید چنین سیگنال‌هایی با استفاده از سیستم‌های سنجش کوانتومی فعلی بسیار دشوار خواهد بود. ممکن است استفاده از این سیستم برای تشخیص سیگنال‌های خروجی از یک نورون در پاسخ به برخی محرک‌ها امکان‌پذیر باشد، برای مثال، که معمولا شامل مقدار زیادی نویز است، که جداسازی چنین سیگنال‌هایی را دشوار می‌سازد.

این سیستم همچنین می‌تواند برای توصیف دقیق رفتار مواد عجیب‌وغریب مانند مواد دو بعدی که به شدت برای خواص الکترومغناطیسی، نوری و فیزیکی مورد مطالعه قرار می‌گیرند، مورد استفاده قرار گیرد.

در کار جاری، این تیم در حال بررسی امکان یافتن راه‌هایی برای گسترش سیستم است تا بتواند طیف وسیعی از فرکانس‌ها را در یک زمان بررسی کند، تا اینکه هدف قرار دادن تک فرکانس سیستم فعلی را بررسی کند. آن‌ها همچنین به تعریف قابلیت‌های سیستم با استفاده از دستگاه‌های قوی‌تر سنجش کوانتومی در آزمایشگاه لینکلن ادامه خواهند داد، که در آن برخی از اعضای تیم تحقیقاتی مستقر هستند.

این متن با استفاده از ربات ‌ترجمه مقالات علمی ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.