آشکارسازی چرخش یک اسپین کوانتومی

آشکارسازی چرخش یک اسپین کوانتومی

پژوهشگران تاثیر چرخش یک بلور را روی اسپین یک ذره‌ی تعبیه شده، نشان دادند، نتیجه‌ای که می‌تواند منجر به حسگرهای فوق حساس چرخش شود.

آزمایشی تازه نشان داده است که چرخش یک شی کوانتومی، اسپین آن را به روشی که می‌تواند آشکار شود، تحت تأثیر قرار می‌دهد. پژوهشگران یک بلور را با سرعت ۲۰۰ هزار دور بر دقیقه به چرخش درآوردند و اثرات آن را بر یک اسپین کوانتومی منفرد در داخل بلور شناسایی کردند. یافته‌ها به لحاظ نظری قابل انتظار بود، اما می‌تواند منجر به یک فناوری تازه برای حسگری چرخش در مقیاس نانومتر شود.

ذراتی مانند الکترون‌ها و پروتون‌ها دارای مقادیر ثابت اسپین کوانتومی هستند. اسپین کوانتومی، یک تکانه‌ی زاویه‌ای ذاتی است که همتای چرخش فیزیکی اشیای کلاسیکی نیست. اگر چنین ذره‌ای (دارای یک «اسپین» منفرد) را در یک میدان مغناطیسی قرار دهیم، بردار اسپین آن، همچون یک ژیرسکوپ،‌ حول جهت بردار میدان می‌چرخد. سرعت تغییر اسپین یا فرکانس اسپین، به قدرت میدان مغناطیسی بستگی دارد. اثرات بسیاری همچون میدان‌های اتم‌های مجاور، می‌تواند میدانی که اسپین تجربه می‌کند و بنابراین سرعت تغییر اسپین را تحت تاثیر قرار دهد. اگر یک ذره دارای اسپین ۱/۲ باشد، آنگاه در میدان مغناطیسی به سمت بالا، یک حالت انرژی پایین‌تر (اسپین-بالا) و یک حالت انرژی بالاتر (اسپین-پایین) دارد. تابش الکترومغناطیسی با فرکانس مشابه این فرکانس می‌تواند باعث انتقال‌ بین این دو حالت شود.

معلوم شده گاهی اوقات، چرخش‌ فیزیکی اسپین‌های کوانتومی (مثلا بخشی از بلور)، می‌تواند روی سرعت تغییر تاثیر بگذارد و پژوهشگران امیدوارند این واقعیت، آن‌ها را به دستگاهی برای آشکارسازی با حساسیت بالای چرخش رهنمون کند. آزمایش‌های قبلی، این تاثیر را برای یک مجموعه‌ی بزرگ از اسپین‌ها نشان داده بود، اما انجام این کار با یک اسپین منفرد می‌تواند منجر به کوچک‌سازی و وضوح فضایی بالا شود. الکساندر وود (Alexander Wood) از دانشگاه ملبورن استرالیا این سوال را مطرح می‌کند که «شما چگونه می‌فهمید یک اسپین منفرد، در حال چرخیدن است؟» او می‌گوید: چالش، نشان دادن واضح چرخش است، و نه تاثیر دیگری مانند یک میدان مغناطیسی سرگردان که روی تغییر اسپین، اثر گذاشته است. محققان با توسعه‌ی یک آزمایش پیچیده، بر این مشکل‌ غلبه کردند که اثر چرخش را به صورت غیر مستقیم نشان می‌دهد.

وود و همکارانش به نقص بلور الماس که آن را مراکز خالی از نیتروژن (Nitrogen Vacancy centers) یا NVها می‌نامند، نگاه کردند. NVها، مکان‌هایی در شبکه‌ی بلور هستند که یک اتم نیتروژن تنها، جایگزین اتم کربنی شده است که در مجاورت جای خالی قرار دارد. این جایگزینی، یک الکترون‌ جفت‌نشده ایجاد می‌کند که برای ساخت چیزی که به طور مؤثر (در میدان‌های مغناطیسی مناسب) یک ذره‌ی منزوی با اسپین ۱۲ است، با دیگر الکترون‌ها برهمکنش می‌کند. اگر NVها خیلی پراکنده باشند، هر اسپین می‌تواند به طور منفرد دیده و مطالعه شود.

محققان یک قطعه‌ی کوچک الماس شامل NVها را به یک موتور در حال چرخش با ۲۰۰ هزار دور در دقیقه در یک میدان مغناطیسی خارجی متصل کردند.  آن‌ها به یک NV نگاه کرده و ترفندی به نام تشدید مغناطیسی اسپین-اکو آشکار شده به روش‌های نوری (optically detected spin-echo magnetic resonance) را روی آن اعمال کردند. محققان برای هر دوره‌ی چرخش (که کسری از میلی‌ثانیه به طول می‌انجامد)، اسپین را با استفاده از یک پالس نوری سبز رنگ، در حالت انرژی پایین قرار داده و سپس اسپین را با سه پالس‌ ریزموج به دقت زمان‌بندی‌شده، مورد اصابت قرار دادند. در نهایت، پس از پایان هر دوره‌ی چرخش، فلوئورسانس منتشر شده را اندازه‌گیری کردند که هرگاه اسپین در حالت انرژی بالاتر، برانگیخته شده بود، سیگنال می‌داد.

جهت‌ بردارهای میدان ریزموموج‌ها (قطبش‌ها) نسبت به اسپین، احتمال اینکه اسپین به سطح انرژی بالاتر برانگیخته شده را تعیین می‌کرد. محققان با استفاده از یک نظریه‌ برای بررسی این اثر، تغییر اسپین در میدان‌های ریزموج و تغییر در فلوئورسانس را با تغییر زاویه‌ی قطبش ریزموج پیش‌بینی کردند.  این پیش‌بینی‌ها با نتایج آزمایشگاهی در توافق است. مشخص شد که اثر تغییر جهت ریزموج، یک نشان در فلوئورسانس بدست می‌دهد که به طور منحصربفردی، چرخش NVها را نشان می‌دهد و نمی‌تواند با عوامل دیگر شرح داده شود.

وود می‌گوید آزمایش جاری، یک آزمایش اثبات اصل (proof-of-principle) با حساسیت محدود شده است، اما در آینده اندازه‌گیری‌های مشابه می‌تواند برای آشکار کردن چرخش با دقت بالا استفاده شود. حساسیت پایین، ناشی از یک حسگر با حجم کوچک، (اساسا یک اتم منفرد) است، اما این اندازه‌ی پروب می‌تواند یک مزیت نیز باشد: یک الماس در ابعاد نانومتری شامل یک NV منفرد می‌تواند به عنوان پروبی برای حس کردن چرخش سلول‌های زنده یا سیال‌های زیستی به کار گرفته شود.

در حال حاضر برخی پژوهشگران در تلاشند تا NVهای الماس را به عنوان پایه‌ای برای ژیروسکوپی (چرخش‌سنج) استفاده کنند که چرخش‌های آرام، به عنوان مثال چرخش‌های  موجود در جهت‌یابی را آشکار کند. استفاده از اسپین‌های منفرد می‌تواند منجر به حسگرهای چرخش سریعی شود که در مقیاس اتمی کار می‌کنند. به علاوه، یک اسپین منفرد می‌تواند از عوارض ناهمگن بودن که ممکن است در گروه پر تعدادی از ‌NVها وجود داشته باشد، جلوگیری کند.


منبع: physics.aps.org
كلمات كليدي :
حسگر اسپین کوانتومی
 
امتیاز دهی
 
 

نظر شما
نام  
پست الكترونيک
وب سایت
متنی که در تصویر می بینید عینا تایپ نمایید
نظر