Kwantumfisika is nie nuut nie, maar ons het eers onlangs in staat geword om kwantumverskynsels te beheer en dit sodoende te gebruik om nuwe tegnologieë te ontwikkel. Een van die gebiede waarin kwantumtegnologie die volwasse en gereed is vir toepassing is kwantumsensors, waar kwantumverskynsels kan help om die sensors ultra-sensitief te maak, wat hulle in staat stel om besonderhede te sien en baie kleiner hoeveelhede te meet as wat moontlik is met tans bestaande sensors.
Die laboratorium van Kirstine Berg-Sørensen. Beeldkrediet: Jesper Scheel
Defekte diamante as kwantumsensors
Alexander Huck is een van die DTU-navorsers wat vir meer as tien jaar navorsing doen oor die gebruik van diamante as kwantumsensors. Dit is kunsmatige diamante met 'n ingeboude defek: die NV-sentrum. Die NV-sentrum tree op soos 'n kwantummeganiese spin wat swak magnetiese velde en ander fisiese parameters kan registreer.
Alexander Huck het kwantumdiamante gebruik om onder meer biologiese materiaal te meet. In 2020 het hy getoon - saam met 'n multidissiplinêre navorsingspan - dat die meting van elektriese aktiwiteit in spiere moontlik was met behulp van 'n NV-diamant-kwantumsensor.
“Die voordeel van die gebruik van diamante om biologiese materiaal te meet, is dat ons nie elektrodes aan die materiaal hoef te heg om 'n sein te meet nie. In plaas daarvan kan ons 'n diamant, in hierdie geval in die vorm van 'n klein plat plaatjie wat 1-2mm x 1-2mm meet, naby die biologiese materiaal plaas sonder om dit te 'beskadig' en dan seine met behulp van magnetiese velde meet. Ons het onlangs daarin geslaag om soortgelyke metings van breinaktiwiteit vanaf weefsel in muise uit te voer, wat 'n groot nuwe mylpaal is,” sê Alexander Huck, medeprofessor by DTU Fisika.
Na sy mening sal kwantumsensors 'n groot rol speel in die werk om meer kennis oor die brein en neurale netwerke in te win, wat uiteindelik bydra tot beide verbeterde diagnose en genesing vir breinafwykings.
Kennis van molekules en fotosintese
Alexander Huck het onlangs ook NV-diamantsensors begin gebruik op lengteskale wat baie kleiner is as selle en weefsel van spiere en die brein. Hy wil probeer om die kwantumsensor te gebruik om groter kennis oor molekules op te doen. Die algehele fokus is op elektroniese prosesse op 'n molekulêre skaal, soos fotosintese, waaroor hy meer wil leer deur na een of 'n paar molekules op 'n slag te kyk.
“As ons in detail kan verstaan hoe fotosintese werk, kan dit – op lang termyn – ons in staat stel om te kopieer hoe plante energie van die son oes en dit in bergbare en vervoerbare chemiese stowwe omskep. Baie van ons huidige kennis is gebaseer op ontledings van groot groepe molekules, en dit kan sommige van die besonderhede verbloem. Ek wil kennis oor hulle opdoen deur individueel na die molekules te kyk,” sê Alexander Huck.
Verhoogde kennis oor menslike selle
Kirstine Berg-Sørensen gebruik ook kwantumtegnologie vir biologiese sensors, maar met kleiner diamante. Haar fokus is op die verkryging van groter kennis van ons selle.
“In onlangse jare het selbiologie-navorsers ontdek dat selle nie so heterogeen is as wat ons gedink het nie. Die individuele selle ontwikkel verskillend, al kom hulle van dieselfde beginpunt af. Dit geld byvoorbeeld vir kankerselle, maar ook vir immuunselle, wat my fokusarea is. Dit is belangrik om meer diepgaande kennis in te win oor watter selle onderskeidelik verantwoordelik is vir siekte-ontwikkeling en siektebeheer,” sê Kirstine Berg-Sørensen, medeprofessor by DTU Health Tech.
Kirstine Berg-Sørensen het die grootste deel van haar loopbaan met optiese lokvalle in die laboratorium gewerk. In hierdie werk word 'n hoogs gefokusde laserstraal van infrarooi lig gebruik om die biologiese materiaal te ondersoek. Op hierdie manier verhit die lig nie die materiaal nie en skep dus nie veranderinge in verband met die ontledings nie.
“Sowat ses jaar gelede het ek deur Alexander Huck se werk bewus geword van nanodiamante, wat dit moontlik maak om swak magnetiese velde te registreer, byvoorbeeld in menslike weefsel. Dit het my die idee gegee om selle te bestudeer deur ons metodes te kombineer, en ons werk nou hieraan saam,” sê Kirstine Berg-Sørensen.
Kombineer twee metodes
Die selle absorbeer eers klein nanodiamante wat 'n deursnee van ongeveer 120 nanometer het—500 keer kleiner as die dikte van 'n menslike haar. Die navorsers gebruik laserlig om te lees wat die diamant meet.
Op lang termyn is die doel om 'n gevorderde meetinstrument vir biologiese materiaal te ontwikkel wat op die twee metodes gebaseer is. Die voordeel van beide diamante en optiese lokval is dat hulle bioversoenbaar is, wat beteken dat hulle nie interaksie het met die biologiese materiaal nie en dus niks in verband met die meting 'versteur' nie. Daarbenewens kan hul magnetiese sensitiwiteit by kamertemperatuur funksioneer, en vereis dus nie uiters lae temperature onder minus 150 grade nie, anders as ander soorte kwantumsensors.
“Ons het reeds gewys dat ons die selle kan kry om die nanodiamante te absorbeer. Nou moet ons ons metode verfyn om optiese pincet, 'n laserstraal, te kry om die diamant in die sel rond te 'stoot', sodat ons verskeie dele van die sel kan meet. Ons werk tans hieraan,” sê Kirstine Berg-Sørensen.
E-MAT bestaan uit 'n reeks instrumente wat, onder gekontroleerde toestande, die ontwikkeling en sintese van nuwe materiale moontlik maak. Beeldkrediet: DTU
Ontwikkeling van nuwe kwantumsensors
Alhoewel kwantumsensors reeds in staat is om meer akkurate metings as gewone sensors uit te voer, word daar gewerk om dit verder te verbeter, byvoorbeeld in 'n samewerking tussen navorsers wat besig is om nuwe materiale te ontwikkel, en waar Alexander Huck bydra met sy kundigheid in NV-diamante en kwantumsensors.
“Ons doel is om sistematies te ondersoek of ons 'n nuwe sensor kan vind wat klein, bioversoenbaar is, wat by kamertemperatuur kan werk en in staat is om magnetiese velde in die brein van lewende organismes te meet. Dit sal ons in staat stel om ons kennis van die prosesse in die brein aansienlik uit te brei. Ons beplan om nuwe sensora te vervaardig deur nuwe pasgemaakte 2D-materiale te gebruik wat ons in staat stel om defekte op atoomvlak te beheer,” verduidelik Nini Pryds, Professor by DTU Energy, wat 'n materiaalwetenskaplike is en in beheer van die werk is.
Die doel van die spesifieke projek is om 'n heeltemal nuwe kwantumsensor te ontwikkel wat gebaseer is op 2D-materiaal wat meer sensitief sal wees as 'n diamant.
“Om beter, goedkoper en meer praktiese klein sensors te skep, sal ons ondersoek of dit moontlik is om heeltemal verskillende tipes magneties-sensitiewe sensors te gebruik wat op 2D-materiale gebaseer is. Met die nuwe sensor is ons toekomstige doelwit om beter opsporing in ’n vroeër stadium te kan bied, voordat breinsiektes tyd het om verder te ontwikkel,” sê Nini Pryds.
Die ontwikkeling van die nuwe sensor sal ook baat vind by 'n nuwe infrastruktuurnavorsingsfasiliteit, by DTU, E-MAT. Dit is die eerste van sy soort in Noord-Europa, vir die sintese van nuwe generasie kwantummateriale en dit bestaan net op 'n paar plekke wêreldwyd. E-MAT bestaan uit handskoenboks met 'n beheerde omgewing wat 'n groep sleuteltoerusting insluit, insluitend die nuutste afsettingsmetodes wat die beheer van oppervlaktes en koppelvlakke op atoomskaal moontlik maak. Hierdie infrastruktuur sal dit moontlik maak om nie net nuwe materiale teoreties te voorspel nie, maar ook om hierdie materiale werklik te maak en te toets. Dit maak die navorsers vol vertroue dat hulle in die komende jare daarin sal slaag om 'n nuwe kwantumsensor te ontwikkel.
Toets van kwantumsensors
Sommige kwantumsensors het reeds so ver in hul ontwikkeling gekom dat hul gebruik in die werklike lewe getoets word. Dit sluit 'n kwantumversnellingsmeter in, wat in die toekoms die GPS-stelsel vir navigasie kan vervang.
In die huidige toetsweergawe is die kwantumsensor ’n groot boks wat baie spasie opneem wanneer dit in ’n vliegtuig gemonteer word en op ’n reis oor Groenland gestuur word om via die Aarde se gravitasieveld te navigeer. Een doelwit sal wees om die kwantumsensor tot skyfiegrootte te verminder sodat dit in die toekoms oral gebruik kan word, in vliegtuie, bote, geboue, ondergronds en onder water. Dit sal onafhanklikheid verseker van die GPS-stelsel, wat vasgevang of bedrieg kan word, en wat 'n bedreiging in die huidige geopolitieke situasie inhou.
Bron: DTU
