צוות מחקר בינלאומי פיתח חיישן קוונטי פורץ דרך המסוגל לזהות שדות מגנטיים זעירים בקנה מידה אטומי, מה שעשוי לחולל מהפכה בגישה שלנו לחקר חומרים ומערכות קוונטיות. קרדיט: twoday.co.il.com
חיישן קוונטי חדש שפותח על ידי חוקרים מקוריאה וגרמניה יכול למדוד שדות מגנטיים בקנה מידה אטומי בדיוק רב. טכנולוגיה זו משתמשת במולקולה אחת לזיהוי, המציעה רזולוציה מעולה ופוטנציאל להתקדמות משמעותית בחומרים קוונטיים וניתוח מערכות מולקולריות.
בפריצת דרך מדעית, צוות מחקר בינלאומי ממרכז IBS למדעי ננו קוונטי (QNS) של קוריאה ו-Forschungszentrum Jülich בגרמניה פיתח חיישן קוונטי המסוגל לזהות שדות מגנטיים זעירים בסולם אורך אטומי. עבודה חלוצית זו מגשימה חלום ארוך שנים של מדענים: כלי דמוי MRI לחומרים קוונטיים.
"צריך להיות קטן כדי לראות קטן." — ד"ר דימיטרי בורודין
צוות המחקר ניצל את המומחיות של ייצור מולקולה בודדת מלמטה למעלה מקבוצת Jülich תוך ביצוע ניסויים ב-QNS, תוך ניצול המכשור והידע המתודולוגי המוביל של הצוות הקוריאני לפיתוח החיישן הקוונטי הראשון בעולם לעולם האטום.
אתגרים במדידה בקנה מידה אטומי
הקוטר של an אָטוֹם קטן פי מיליון משיער האדם העבה ביותר. זה מאתגר מאוד לדמיין ולמדוד במדויק כמויות פיזיקליות כמו שדות חשמליים ומגנטיים היוצאים מאטומים. כדי לחוש שדות חלשים כאלה מאטום בודד, כלי התצפית חייב להיות רגיש מאוד וקטן כמו האטומים עצמם.
חיישן קוונטי הוא טכנולוגיה המשתמשת בתופעות מכניות קוונטיות כמו ספין של אלקטרון או הסתבכות של מצבים קוונטיים לצורך מדידות מדויקות. מספר סוגים של חיישנים קוונטיים פותחו במהלך השנים האחרונות. בעוד חיישנים קוונטיים רבים מסוגלים לחוש שדות חשמליים ומגנטיים, האמינו שלא ניתן לשלוט ברזולוציה מרחבית בקנה מידה אטומי בו זמנית.
צוות המחקר השיג רמות חסרות תקדים של רגישות ורזולוציה מרחבית על ידי הצמדת מולקולת PTCDA לקצה ה-STM ומדידת ESR. קרדיט: המכון למדע יסוד
חידושים בטכנולוגיית חישה קוונטית
הצלחתו של החיישן הקוונטי החדש בקנה מידה אטומי טמונה בשימוש במולקולה אחת בודדת. זוהי דרך חישה שונה מבחינה תפיסתית מאחר שתפקודם של רוב החיישנים האחרים מסתמך על פגם – חוסר שלמות – של סריג קריסטל. מכיוון שפגמים כאלה מפתחים את תכונותיהם רק כשהם מוטמעים עמוק בחומר, הפגם – המסוגל לחוש שדות חשמליים ומגנטיים, יישאר תמיד במרחק גדול למדי מהעצם ומונע ממנו לראות את העצם בפועל בקנה מידה של יחיד. אטומים. צוות המחקר שינה את הגישה ופיתח כלי שמשתמש במולקולה אחת כדי לחוש את התכונות החשמליות והמגנטיות של אטומים. המולקולה מחוברת לקצה מיקרוסקופ המנהור הסורק וניתן להביא אותה למרחקים אטומיים בודדים מהעצם האמיתי.
ד"ר טאנר אסאט, המחבר הראשי של צוות Jülich, הביע את התרגשותו מהיישומים הפוטנציאליים, וקבע, "חיישן קוונטי זה הוא מחליף משחק מכיוון שהוא מספק תמונות של חומרים עשירים כמו MRI ובו בזמן קובע חדש תקן לרזולוציה מרחבית בחיישנים קוונטיים. זה יאפשר לנו לחקור ולהבין חומרים ברמה הבסיסית ביותר שלהם." שיתוף הפעולה ארוך הטווח היה תלוי בד"ר Esat, בעבר פוסט דוקטורט ב-QNS, שחזר ל-Jülich, שם הגה את מולקולת החישה הזו. הוא בחר לחזור ל-QNS לשהות מחקרי על מנת להוכיח טכניקה זו באמצעות המכשירים החדשניים של המרכז.
צוות המחקר השיג רמות חסרות תקדים של רגישות ורזולוציה מרחבית על ידי הצמדת מולקולת PTCDA לקצה ה-STM ומדידת ESR. קרדיט: המכון למדע יסוד
השלכות וצפי עתידי
לחיישן יש רזולוציית אנרגיה המאפשרת לזהות שינויים בשדות מגנטיים וחשמליים ברזולוציה מרחבית בסדר גודל של עשירית אנגסטרם, כאשר 1 Ångström תואם בדרך כלל לקוטר אטומי אחד. יתרה מכך, החיישן הקוונטי ניתן לבנייה ויישום במעבדות קיימות ברחבי העולם.
"מה שהופך את ההישג הזה לכל כך בולט הוא שאנו משתמשים באובייקט קוונטי מהונדס להפליא כדי לפתור תכונות אטומיות בסיסיות מלמטה למעלה. הטכניקות הקודמות להמחשת חומרים משתמשות בבדיקות גדולות ומגושמות כדי לנסות לנתח תכונות אטומיות זעירות", מדגיש המחבר הראשי של QNS, ד"ר דימיטרי בורודין. "צריך להיות קטן כדי לראות קטן."
חיישן קוונטי פורץ דרך זה מוכן לפתוח אפיקים טרנספורמטיביים להנדסת חומרים והתקנים קוונטיים, לתכנן זרזים חדשים ולחקור את ההתנהגות הקוונטית הבסיסית של מערכות מולקולריות, כמו בביוכימיה. כפי שציין Yujeong Bae, ה-PI של QNS עבור הפרויקט, "המהפכה בכלים להתבוננות וחקר החומר נובעת מהמדע הבסיסי המצטבר. כפי שאמר ריצ'רד פיינמן, 'יש הרבה מקום בתחתית', הפוטנציאל של הטכנולוגיה למניפולציה ברמה האטומית הוא אינסופי". פרופסור טמירוב, ראש קבוצת המחקר ב-Jülich, מוסיף: "מרגש לראות כיצד העבודה ארוכת השנים שלנו במניפולציה מולקולרית הביאה לבניית מכשיר קוונטי מחזיק שיאים."
תוצאות המחקר פורסמו ב טבע ננוטכנולוגיה ב-25 ביולי. הפיתוח של חיישן קוונטי זה בקנה מידה אטומי מסמן אבן דרך משמעותית בתחום הטכנולוגיה הקוונטית וצפוי להיות בעל השלכות מרחיקות לכת על פני דיסציפלינות מדעיות שונות.
