Квантовые датчики нового поколения: измерение под давлением в 30 тысяч атмосфер

Мир квантовой физики, уже по своей природе полный парадоксов и необъяснимых явлений, становится еще более загадочным, когда его законы подвергаются экстремальным условиям, таким как огромное давление. Изучение квантовых эффектов в таких условиях долгое время оставалось серьезной научной проблемой, поскольку традиционные инструменты просто не выдерживали экстремальных нагрузок. Однако группа ученых из Вашингтонского университета в Сент-Луисе совершила прорыв, разработав новый тип квантового датчика, способного функционировать под давлением, превышающим атмосферное в 30 000 раз.

Руководимая Чонг Цзу, доцентом кафедры физики и сотрудником Центра квантовых исследований, команда создала датчики на основе тонких листов кристаллизованного нитрида бора — материала, обладающего высокой прочностью и уникальными квантовыми свойствами. Эти датчики способны с высокой точностью измерять магнитные поля и механические напряжения в материалах, находящихся под экстремальным давлением. По словам Чонг Цзу, это первые в мире квантовые датчики, специально разработанные для работы в таких условиях, что открывает широкие перспективы для применения в квантовых технологиях, материаловедении, геологии и даже астрономии.

Работа была опубликована в научном журнале Nature Communications и стала результатом тесного сотрудничества между молодыми исследователями и опытными специалистами. Создание датчиков основано на использовании нейтронного излучения для формирования вакансий — дефектов в кристаллической решетке нитрида бора, возникающих при выбивании атомов бора. Эти вакансии могут захватывать свободные электроны, чьи спиновые состояния чувствительны к изменениям внешней среды: магнитному полю, механическому напряжению, температуре и другим параметрам. Поскольку спины электронов подчиняются законам квантовой механики, их поведение можно использовать для получения информации о состоянии материала с невероятной точностью — на уровне отдельных атомов.

Особое преимущество новых датчиков заключается в их двумерной природе. Толщина листов нитрида бора составляет менее 100 нанометров — примерно в тысячу раз тоньше человеческого волоса. Это позволяет размещать датчики на расстоянии менее одного нанометра от исследуемого образца, обеспечивая беспрецедентную чувствительность. В отличие от предыдущих разработок, основанных на алмазах, которые являются трехмерными и сложными в интеграции с тонкими материалами, нитридборные датчики идеально подходят для изучения двумерных систем, таких как графен или другие наноматериалы.

При этом алмазы продолжают играть ключевую роль в экспериментах. Для создания необходимого давления ученые используют так называемые «алмазные наковальни» — пару микроскопических алмазных пластин диаметром около 400 микрометров, которые сжимаются в специальной камере. Алмаз, будучи самым твердым природным материалом, способен выдерживать колоссальные нагрузки без разрушения. Принцип прост: чем меньше площадь поверхности, на которую прикладывается сила, тем выше давление. Таким образом, алмазные наковальни позволяют достичь условий, аналогичных тем, что существуют в глубоких слоях планет, включая земное ядро.

Первые испытания показали, что новые датчики способны регистрировать минимальные изменения в магнитном поле двумерных магнитов — материалов, которые проявляют магнитные свойства даже в виде одиночных атомных слоев. Это открывает путь к изучению новых классов магнитных материалов, потенциально полезных для спинтроники и квантовых вычислений. Ученые планируют расширить исследования, включив в них образцы горных пород, имитирующие состав внутренних слоев Земли. Анализ того, как эти материалы реагируют на давление, может пролить свет на механизмы землетрясений, вулканической активности и других геологических процессов.

Еще одним важным направлением является исследование сверхпроводимости — явления, при котором материал проводит электричество без сопротивления. Хотя известные сверхпроводники требуют крайне низких температур и высокого давления, в последние годы появлялись спорные заявления о достижении сверхпроводимости при комнатной температуре. Такие открытия вызывают оживленные дискуссии в научном сообществе из-за трудностей с воспроизводимостью результатов. Новые квантовые датчики могут стать решающим инструментом для проверки этих утверждений, позволяя точно измерять магнитные и электронные свойства материалов в реальном времени под высоким давлением.

По мнению Чонг Цзу, успех проекта во многом стал возможен благодаря поддержке программы NRT, которая поощряет межуниверситетское сотрудничество и подготовку молодых ученых. Теперь, когда в распоряжении команды есть не только передовые датчики, но и полноценная установка с алмазными наковальнями и камерой высокого давления, открываются новые горизонты для фундаментальных исследований. Этот прорыв демонстрирует, как сочетание инновационных материалов, квантовых технологий и междисциплинарного подхода может помочь проникнуть в самые скрытые уголки природы, ранее недоступные для наблюдения.