خلاصه خبر:
محققان یک روش نوآورانه حسگری کوانتومی با استفاده همزمان از چندین حسگر معرفی کردند. این روش که شامل استفاده از سه مرکز نیتروژن-تهی‌جا (NV) در الماس است، بهبود قابل توجهی در تحلیل ساختارهای مقیاس اتمی ارائه می‌دهد. این تکنیک امکان تشخیص دقیق و تصویربرداری از میدان‌های الکتریکی متغیر درون الماس با دقت حدود 1.7 نانومتر فراهم می‌آورد. این پیشرفت، امکان جدیدی را در زمینه‌هایی مانند مهندسی مواد کوانتومی و تولید دستگاه‌های نیمه‌رسانا ایجاد می‌کند. این مطالعه، با سنجش دقیق دینامیک نقص‌های نقطه‌ای، پیشرفت چشمگیری در تحلیل ساختاری در مقیاس نانو و فناوری حسگری کوانتومی ایجاد می‌کند.
توضیحات تکمیلی:
پژوهشگران دانشگاه علم و فناوری چین، در یک مطالعه بنیادی، یک روش حسگری کوانتومی نوآورانه معرفی کرده‌اند که قدرت مشاهده و تحلیل پدیده‌ها در مقیاس اتمی را به شکل قابل توجهی افزایش می‌دهد. این پژوهش، با استفاده از قدرت چندین حسگر کوانتومی، می‌تواند تصویربرداری و آنالیز در مقیاس نانو را ارتقا بخشد و پیشرفت‌هایی را در حوزه‌های فیزیک و مهندسی ایجاد کند.
در این پژوهش که در نشریه Nature Photonics منتشر شده، از سه مرکز نیتروژن-تهی‌جا (NV) در الماس برای تشکیل یک سیستم الکترومتری کوانتومی استفاده شده است. مراکز NV، نواقصی در مقیاس اتمی در الماس هستند که خواص کوانتومی منحصر به فردی دارند و برای کاربردهای حسگری ایده‌آل هستند. با همبستگی سیگنال‌ها از چندین مرکز NV، محققان محدودیت‌های روش‌های مبتنی بر تک حسگر را پشت سر گذاشته‌اند و مشاهده دقیق‌تر و جزئی‌تری از ساختارها و پدیده‌ها در مقیاس اتمی را ممکن ساخته‌اند.
این تیم تحقیقاتی با موفقیت این الکترومتر کوانتومی چند حسگری را برای تصویربرداری سه‌بعدی از نقص‌های نقطه‌ای الکترونی درون شبکه الماس به کار برده است. آن‌ها توانسته‌اند با دستیابی به دقت حدود 1.7 نانومتر، دینامیک بار این نقص‌ها را با دقت بی‌سابقه‌ای ثبت کنند. این روش، شبیه به یک سیستم GPS برای ساختارها در مقیاس اتمی، اطلاعات بسیار ارزشمندی را در مورد حرکت‌ها و تعاملات لحظه‌ای نقص‌های منفرد فراهم آورده است، کاری که پیش از این با فناوری‌های موجود غیرقابل دستیابی بود.
این رویکرد جدید پیامدهای زیادی به ویژه در در درک و دستکاری مواد در مقیاس اتمی خواهد داشت؛ به عنوان مثال، در مهندسی مواد کوانتومی، این تکنیک می‌تواند نقش محوری در طراحی و شناسایی مواد جدید با خواص کوانتومی منحصربه‌فرد ایفا کند. همچنین، استفاده از این تکنیک در تولید دستگاه‌های نیمه‌رسانا، مکان‌یابی دقیق و تجزیه و تحلیل نقص‌های نقطه‌ای می‌تواند به بهبود قابل توجهی در عملکرد و قابلیت اطمینان دستگاه‌های الکترونیکی منجر شود.
دقت این تکنیک همچنین امکانات جدیدی را در مطالعه سیستم‌های بیولوژیکی در مقیاس نانو فراهم می‌آورد و می‌تواند به توسعه این فناوری‌ها و علوم پزشکی کمک کند. علاوه بر این، کاربرد آن در زمینه محاسبات کوانتومی می‌تواند اطلاعات حیاتی را در مورد رفتار کیوبیت‌ها و خواص کوانتومی مواد مورد استفاده فراهم آورد و راه را برای معماری‌های پیشرفته‌تر محاسبات کوانتومی هموار سازد.
علاوه براین، این پژوهش اهمیت رویکردهای بین‌رشته‌ای در پیشبرد مرزهای فناوری و درک علمی را مورد تأکید قرار می‌دهد و نشان می‌دهد که چگونه نوآوری‌ها در مکانیک کوانتومی می‌توانند کاربردهای عملی در علم مواد، مهندسی و فراتر از آن داشته باشند. این تحقیق همچنین اهمیت رو به رشد فناوری‌های کوانتومی در بخش‌های مختلف را بیش از پیش نمایان می‌کند.
منبع:
Ji, W., Liu, Z., Guo, Y., Hu, Z., Zhou, J., Dai, S., Chen, Y., Yu, P., Wang, M., Xia, K., Shi, F., Wang, Y., & Du, J. (2024). Correlated sensing with a solid-state quantum multisensor system for atomic-scale structural analysis. Nature Photonics, 1-6. https://doi.org/10.1038/s41566-023-01352-4
