Квантовая физика не нова, но мы только недавно получили возможность управлять квантовыми явлениями и, таким образом, использовать их для разработки новых технологий. Одной из областей, в которых квантовая технология является наиболее зрелой и готовой к применению, является квантовые датчики, где квантовые явления могут помочь сделать датчики сверхчувствительными, позволяя им видеть детали и измерять гораздо меньшие величины, чем это возможно с помощью существующих в настоящее время датчиков.
Лаборатория Кирстин Берг-Соренсен. Изображение предоставлено: Джеспер Шил
Дефектные бриллианты как квантовые датчики
Александр Хак — один из исследователей DTU, изучающий использование алмазов в качестве квантовых датчиков уже более десяти лет. Это искусственные алмазы со встроенным дефектом: центром NV. Центр NV ведет себя как квантово-механический спин, который может регистрировать слабые магнитные поля и другие физические параметры.
Александр Гек использовал квантовые алмазы для измерения биологического материала, среди прочего. В 2020 году он вместе с междисциплинарной исследовательской группой продемонстрировал, что измерение электрической активности в мышцах возможно с помощью алмазного квантового датчика NV.
«Преимущество использования алмазов для измерения биологического материала заключается в том, что нам не нужно прикреплять электроды к материалу для измерения сигнала. Вместо этого мы можем поместить алмаз, в данном случае в форме небольшой плоской пластины размером 1-2 мм x 1-2 мм, близко к биологическому материалу, не «повреждая» его, а затем измерять сигналы с помощью магнитных полей. Недавно нам удалось провести аналогичные измерения активности мозга в тканях мышей, что является важной новой вехой», — говорит Александр Хак, доцент физического факультета DTU.
По его мнению, квантовые датчики будут играть большую роль в работе по получению большего количества знаний о мозге и нейронных сетях, что в конечном итоге будет способствовать как улучшению диагностики, так и лечению заболеваний головного мозга.
Знание молекул и фотосинтеза
Александр Гек недавно также начал использовать алмазные датчики NV на шкалах длины, намного меньших, чем клетки и ткани мышц и мозга. Он хочет попробовать использовать квантовый датчик, чтобы получить больше знаний о молекулах. Основное внимание уделяется электронным процессам на молекулярном уровне, таким как фотосинтез, о котором он хочет узнать больше, рассматривая одну или несколько молекул за раз.
«Если мы сможем понять, как работает фотосинтез в деталях, это может — в долгосрочной перспективе — позволить нам скопировать то, как растения собирают энергию солнца и преобразовывают ее в химические вещества, которые можно хранить и транспортировать. Большая часть наших текущих знаний основана на анализе больших групп молекул, и это может скрыть некоторые детали. Я хочу узнать о них, рассматривая молекулы по отдельности», — говорит Александр Гек.
Расширение знаний о клетках человека
Кирстин Берг-Соренсен также использует квантовую технологию для биологических сенсоров, но с более мелкими алмазами. Ее внимание сосредоточено на получении более глубоких знаний о наших клетках.
«В последние годы исследователи клеточной биологии обнаружили, что клетки не так гетерогенны, как мы думали. Отдельные клетки развиваются по-разному, даже если они происходят из одной и той же отправной точки. Это относится, например, к раковым клеткам, а также к иммунным клеткам, которым я уделяю особое внимание. Важно получить более глубокие знания о том, какие клетки ответственны за развитие болезни и борьбу с ней, соответственно», — говорит Кирстин Берг-Соренсен, доцент DTU Health Tech.
Кирстин Берг-Соренсен большую часть своей карьеры работала с оптическими ловушками в лаборатории. В этой работе для исследования биологического материала используется высокосфокусированный лазерный луч инфракрасного света. Таким образом, свет не нагревает материал и, следовательно, не вызывает изменений в анализе.
«Около шести лет назад благодаря работе Александра Хука я узнал о наноалмазах, которые позволяют регистрировать слабые магнитные поля, например, в тканях человека. Это натолкнуло меня на мысль изучать клетки, комбинируя наши методы, и теперь мы сотрудничаем в этом вопросе», — говорит Кирстин Берг-Соренсен.
Сочетание двух методов
Клетки сначала поглощают крошечные наноалмазы диаметром около 120 нанометров, что в 500 раз меньше толщины человеческого волоса. Исследователи используют лазерный свет, чтобы прочитать, что измеряет алмаз.
В долгосрочной перспективе цель состоит в том, чтобы разработать передовой измерительный инструмент для биологического материала на основе двух методов. Преимущество как алмазов, так и оптической ловушки в том, что они биосовместимы, то есть не взаимодействуют с биологическим материалом и, таким образом, ничего не «мешают» в связи с измерением. Кроме того, их магнитная чувствительность может функционировать при комнатной температуре, а потому не требует экстремально низких температур ниже минус 150 градусов, в отличие от других типов квантовых сенсоров.
«Мы уже показали, что можем заставить клетки поглощать наноалмазы. Теперь нам нужно усовершенствовать наш метод, чтобы заставить оптический пинцет, лазерный луч, «толкать» алмаз в ячейке, чтобы мы могли измерить несколько частей ячейки. В настоящее время мы работаем над этим», — говорит Кирстин Берг-Соренсен.
E-MAT включает в себя ряд инструментов, которые в контролируемых условиях позволяют разрабатывать и синтезировать новые материалы. Изображение предоставлено: ДТУ
Разработка новых квантовых сенсоров
Хотя квантовые датчики уже способны выполнять более точные измерения, чем обычные датчики, ведется работа по их дальнейшему совершенствованию, например, в сотрудничестве между исследователями, работающими над созданием новых материалов, и где Александр Хак вносит свой вклад благодаря своему опыту в области NV-алмазов и квантовых датчиков.
«Наша цель — систематически исследовать, сможем ли мы найти новый датчик, который будет небольшим, биосовместимым, способным работать при комнатной температуре и способным измерять магнитные поля в мозгу живых организмов. Это позволит нам значительно расширить наши знания о процессах в мозге. Мы планируем изготовить новые датчики с использованием новых специально изготовленных 2D-материалов, которые позволят нам контролировать дефекты на атомарном уровне», — объясняет Нини Придс, профессор DTU Energy, материаловед и руководитель работы.
Цель конкретного проекта — разработать совершенно новый квантовый датчик на основе 2D-материалов, который будет более чувствительным, чем алмаз.
«Для создания более качественных, менее дорогих и более практичных небольших датчиков мы рассмотрим возможность использования совершенно других типов магниточувствительных датчиков на основе 2D-материалов. С новым датчиком наша будущая цель — обеспечить более качественное обнаружение на более ранней стадии, прежде чем болезни головного мозга успеют развиться дальше», — говорит Нини Придс.
При разработке нового датчика также будет задействован новый исследовательский центр инфраструктуры в DTU, E-MAT. Это первый в своем роде в Северной Европе синтез квантовых материалов нового поколения, и он существует всего в нескольких местах по всему миру. E-MAT состоит из перчаточного бокса с контролируемой средой, охватывающей кластер ключевого оборудования, включая современные методы осаждения, позволяющие контролировать поверхности и интерфейсы на атомарном уровне. Эта инфраструктура позволит не только теоретически прогнозировать новые материалы, но и реально производить эти материалы и тестировать их. Это вселяет в исследователей уверенность в том, что в ближайшие годы им удастся разработать новый квантовый датчик.
Тестирование квантовых датчиков
Некоторые квантовые датчики уже зашли так далеко в своем развитии, что их использование тестируется в реальной жизни. Это включает в себя квантовый акселерометр, который в будущем может заменить систему GPS для навигации.
В текущей тестовой версии квантовый датчик представляет собой большую коробку, которая занимает много места при установке в самолете и отправке в путешествие над Гренландией для навигации через гравитационное поле Земли. Одной из целей будет уменьшение размера квантового датчика до размера чипа, чтобы в будущем его можно было использовать где угодно: в самолетах, лодках, зданиях, под землей и под водой. Это обеспечит независимость от системы GPS, которую можно заглушить или подделать и которая представляет угрозу в текущей геополитической ситуации.
Источник: ДТ
