A kvantumfizika nem új keletű, de csak a közelmúltban váltunk képessé a kvantumjelenségek irányítására, és ezáltal új technológiák fejlesztésére. Az egyik olyan terület, ahol a kvantumtechnológia a legérettebb és alkalmazásra kész kvantum érzékelők, ahol a kvantumjelenségek segíthetnek abban, hogy az érzékelők ultraérzékenyek legyenek, lehetővé téve számukra, hogy részleteket lássanak, és sokkal kisebb mennyiségeket mérjenek, mint amennyi a jelenleg meglévő érzékelőkkel lehetséges.
Kirstine Berg-Sørensen laboratóriuma. A kép forrása: Jesper Scheel
Hibás gyémántok, mint kvantumérzékelők
Alexander Huck a DTU egyik kutatója, aki több mint tíz éve kutatja a gyémántok kvantumérzékelőként való felhasználását. Ezek mesterséges gyémántok egy beépített hibával: az NV központtal. Az NV-központ kvantummechanikai spinként viselkedik, amely gyenge mágneses tereket és más fizikai paramétereket képes regisztrálni.
Alexander Huck kvantumgyémántokat használt biológiai anyagok mérésére, többek között. 2020-ban egy multidiszciplináris kutatócsoporttal együtt bebizonyította, hogy az izmok elektromos aktivitásának mérése lehetséges egy NV gyémánt kvantumérzékelővel.
„A biológiai anyagok mérésére gyémánt használatának az az előnye, hogy nem kell elektródákat rögzítenünk az anyaghoz a jel méréséhez. Ehelyett elhelyezhetünk egy gyémántot, ebben az esetben egy kis lapos, 1-2 mm x 1-2 mm méretű lapos lemezt, a biológiai anyag közelében, anélkül, hogy „sérülnénk”, majd mágneses mezők segítségével mérhetjük a jeleket. A közelmúltban sikerült hasonló agyi aktivitásméréseket végrehajtanunk egerek szöveteiből, ami egy jelentős új mérföldkő” – mondja Alexander Huck, a DTU Physics docense.
Véleménye szerint a kvantumérzékelők nagy szerepet fognak játszani az agyról és a neurális hálózatokról szóló további ismeretek megszerzésében, és végül hozzájárulnak az agyi rendellenességek jobb diagnosztizálásához és gyógyításához.
Molekulák és fotoszintézis ismerete
Alexander Huck a közelmúltban elkezdte használni az NV gyémánt érzékelőket olyan hosszúságú skálákon, amelyek sokkal kisebbek, mint az izmok és az agy sejtjei és szövetei. Meg akarja próbálni a kvantumérzékelő használatát, hogy nagyobb ismereteket szerezzen a molekulákról. Az általános hangsúly a molekuláris léptékű elektronikus folyamatokon van, mint például a fotoszintézis, amelyről szeretne többet megtudni, ha egyszerre egy vagy néhány molekulát néz meg.
„Ha részletesen megértjük a fotoszintézis működését, akkor hosszú távon lehetővé teheti számunkra, hogy lemásoljuk azt, ahogy a növények energiát gyűjtenek be a napból, és raktározható és szállítható vegyi anyagokká alakítják át. Jelenlegi tudásunk nagy része molekulák nagy csoportjainak elemzésén alapul, és ez elhomályosíthat néhány részletet. Úgy szeretnék ismereteket szerezni róluk, hogy egyenként nézem a molekulákat” – mondja Alexander Huck.
Bővült ismeretek az emberi sejtekről
Kirstine Berg-Sørensen kvantumtechnológiát is használ biológiai érzékelőkhöz, de kisebb gyémántokkal. Arra összpontosít, hogy jobban megismerje sejtjeinket.
„Az elmúlt években sejtbiológiai kutatók felfedezték, hogy a sejtek nem olyan heterogének, mint gondoltuk. Az egyes sejtek eltérően fejlődnek, annak ellenére, hogy azonos kiindulási pontról származnak. Ez vonatkozik például a rákos sejtekre, de az immunsejtekre is, amely az én fókuszterületem. Fontos, hogy alaposabb ismereteket szerezzünk arról, hogy mely sejtek felelősek a betegségek kialakulásáért, illetve a betegség leküzdéséért” – mondja Kirstine Berg-Sørensen, a DTU Health Tech docense.
Kirstine Berg-Sørensen pályafutása nagy részében optikai csapdákkal dolgozott a laboratóriumban. Ebben a munkában egy erősen fókuszált infravörös lézersugarat használnak a biológiai anyag vizsgálatára. Ily módon a fény nem melegíti fel az anyagot, és így nem hoz létre változásokat az elemzések kapcsán.
„Körülbelül hat évvel ezelőtt, Alexander Huck munkássága révén lettem figyelmes a nanogyémántokra, amelyek lehetővé teszik gyenge mágneses mezők regisztrálását, például az emberi szövetekben. Ez adta az ötletet, hogy módszereink kombinálásával tanulmányozzam a sejteket, és most ezen dolgozunk együtt” – mondja Kirstine Berg-Sørensen.
Két módszer kombinálása
A sejtek először elnyelik az apró nanogyémántokat, amelyek átmérője körülbelül 120 nanométer – 500-szor kisebb, mint az emberi hajszál vastagsága. A kutatók lézerfény segítségével olvassák le, mit mér a gyémánt.
Hosszú távon a cél egy korszerű biológiai anyag mérőeszköz kifejlesztése a két módszer alapján. Mind a gyémántok, mind az optikai csapda előnye, hogy biokompatibilisek, ami azt jelenti, hogy nem lépnek kölcsönhatásba a biológiai anyaggal, így nem „zavarnak” semmit a méréssel kapcsolatban. Ezenkívül a mágneses érzékenységük szobahőmérsékleten is működhet, ezért nem igényel rendkívül alacsony, mínusz 150 fok alatti hőmérsékletet, ellentétben más típusú kvantumérzékelőkkel.
„Már megmutattuk, hogy képesek vagyunk rávenni a sejteket a nanogyémántok elnyelésére. Most finomítanunk kell a módszerünkön, hogy optikai csipeszeket, lézersugarat kapjunk, amely a gyémántot „körbenyomja” a cellában, így a cella több részét is meg tudjuk mérni. Jelenleg ezen dolgozunk” – mondja Kirstine Berg-Sørensen.
Az E-MAT egy sor olyan műszert tartalmaz, amelyek ellenőrzött körülmények között lehetővé teszik újszerű anyagok kifejlesztését és szintézisét. A kép jóváírása: DTU
Új kvantumérzékelők fejlesztése
Bár a kvantumérzékelők már most is pontosabb mérések elvégzésére képesek, mint a hagyományos érzékelők, folynak a munkálatok továbbfejlesztésükön, például új anyagok kifejlesztésén dolgozó kutatók együttműködésében, és ahol Alexander Huck az NV gyémántokkal és kvantumokkal kapcsolatos szakértelmével járul hozzá. érzékelők.
„Célunk, hogy szisztematikusan megvizsgáljuk, találunk-e olyan új érzékelőt, amely kicsi, biokompatibilis, szobahőmérsékleten is képes működni, és képes mérni az élő szervezetek agyában lévő mágneses mezőket. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy jelentősen bővítsük ismereteinket az agyban zajló folyamatokról. Új érzékelők gyártását tervezzük új, egyedi gyártású 2D anyagok felhasználásával, amelyek lehetővé teszik számunkra a hibák atomi szintű szabályozását” – magyarázza Nini Pryds, a DTU Energy professzora, aki anyagtudós és a munka felelőse.
A konkrét projekt célja egy teljesen új, 2D anyagokon alapuló kvantumérzékelő kifejlesztése, amely érzékenyebb lesz, mint egy gyémánt.
„A jobb, olcsóbb és praktikusabb kis szenzorok létrehozása érdekében megvizsgáljuk, hogy lehetséges-e teljesen eltérő típusú, 2D anyagokon alapuló, mágnesesen érzékeny érzékelőket használni. Az új érzékelővel jövőbeli célunk az, hogy jobb észlelést tudjunk kínálni egy korábbi szakaszban, még mielőtt az agyi betegségeknek ideje lenne tovább fejlődni” – mondja Nini Pryds.
Az új érzékelő fejlesztése a DTU új infrastrukturális kutatási létesítményének, az E-MAT-nak is hasznára válik. Ez az első a maga nemében Észak-Európában, új generációs kvantumanyagok szintézisére, és csak néhány helyen létezik világszerte. Az E-MAT egy ellenőrzött környezettel rendelkező kesztyűtartóból áll, amely kulcsfontosságú berendezéseket foglal magában, beleértve a legmodernebb leválasztási módszereket, amelyek lehetővé teszik a felületek és interfészek atomi léptékű vezérlését. Ez az infrastruktúra nemcsak elméleti előrejelzését teszi lehetővé új anyagoknak, hanem ezeknek az anyagoknak a tényleges elkészítését és tesztelését is. Ez biztosra veszi a kutatókat, hogy a következő években sikerül új kvantumérzékelőt kifejleszteniük.
Kvantumérzékelők tesztelése
Egyes kvantumérzékelők fejlesztése során már odáig jutottak, hogy használatukat a valóságban is tesztelik. Ez magában foglalja a kvantumgyorsulásmérőt is, amely a jövőben a GPS-rendszert helyettesítheti a navigációban.
A jelenlegi tesztváltozatban a kvantumérzékelő egy nagy doboz, amely sok helyet foglal el, ha repülőgépre szerelik, és Grönland feletti utazásra küldik, hogy a Föld gravitációs mezőjén keresztül navigáljon. Az egyik cél az lesz, hogy a kvantumérzékelőt chip méretűre csökkentsük, hogy a jövőben bárhol használható legyen, repülőgépeken, hajókon, épületekben, föld alatt és víz alatt. Ez biztosítja a függetlenséget a GPS rendszertől, amely zavarható vagy hamisítható, és amely a jelenlegi geopolitikai helyzetben veszélyt jelent.
Forrás: DTU
