量子物理学并不新鲜，但我们直到最近才能够控制量子现象，从而利用它们来开发新技术。 量子技术最成熟、最适合应用的领域之一是 量子传感器，其中量子现象可以帮助使传感器变得超灵敏，使它们能够看到细节并测量比现有传感器小得多的量。
Kirstine Berg-Sørensen 的实验室。 图片来源：Jesper Scheel
有缺陷的钻石作为量子传感器
Alexander Huck 是 DTU 研究人员之一，十多年来一直致力于研究钻石作为量子传感器的用途。 这些是具有内在缺陷的人造钻石：NV 中心。 NV 中心的行为就像一个量子力学自旋，可以记录弱磁场和其他物理参数。
亚历山大·哈克 (Alexander Huck) 使用量子钻石来测量生物材料等应用。 2020 年，他与多学科研究团队一起证明，使用 NV 金刚石量子传感器可以测量肌肉的电活动。
“使用钻石测量生物材料的优点是我们不需要将电极连接到材料上来测量信号。 相反，我们可以将钻石（在本例中为尺寸为 1-2 毫米 x 1-2 毫米的小平板形状）靠近生物材料放置，而不“损坏”它，然后使用磁场测量信号。 我们最近成功地对小鼠组织的大脑活动进行了类似的测量，这是一个重要的新里程碑。”DTU 物理学副教授 Alexander Huck 说道。
他认为，量子传感器将在获得更多有关大脑和神经网络的知识的工作中发挥重要作用，最终有助于改善大脑疾病的诊断和治疗。
分子和光合作用的知识
Alexander Huck 最近也开始使用 NV 金刚石传感器，其长度比肌肉和大脑的细胞和组织小得多。 他想尝试使用量子传感器来获得更多关于分子的知识。 总体重点是分子尺度上的电子过程，例如光合作用，他想通过一次观察一个或几个分子来了解更多信息。
“如果我们能够详细了解光合作用的工作原理，从长远来看，它可能会让我们复制植物如何从太阳获取能量并将其转化为可储存和运输的化学物质。 我们目前的大部分知识都是基于对大分子群的分析，这可能会掩盖一些细节。 我想通过单独观察分子来获得有关它们的知识，”亚历山大·哈克说。
增加对人体细胞的了解
Kirstine Berg-Sørensen 还将量子技术用于生物传感器，但使用的是较小的钻石。 她的重点是获得更多关于我们细胞的知识。
“近年来，细胞生物学研究人员发现细胞并不像我们想象的那样异质。 尽管各个细胞来自相同的起点，但它们的发育却不同。 例如，这适用于癌细胞，也适用于免疫细胞，这是我关注的领域。 更深入地了解哪些细胞分别负责疾病发展和疾病控制非常重要，”DTU 健康技术副教授 Kirstine Berg-Sørensen 说。
Kirstine Berg-Sørensen 的大部分职业生涯都在实验室中研究光阱。 在这项工作中，使用高度聚焦的红外激光束来检查生物材料。 这样，光不会加热材料，因此不会产生与分析相关的变化。
“大约六年前，通过 Alexander Huck 的工作，我开始意识到纳米金刚石，它使得记录微弱磁场成为可能，例如在人体组织中。 这给了我通过结合我们的方法来研究细胞的想法，我们现在正在这方面进行合作，”Kirstine Berg-Sørensen 说。
结合两种方法
这些细胞首先吸收直径约为 120 纳米的微小纳米金刚石，比人类头发的厚度小 500 倍。 研究人员使用激光来读取钻石的测量值。
从长远来看，目标是基于这两种方法开发一种先进的生物材料测量工具。 金刚石和光阱的优点是它们具有生物相容性，这意味着它们不与生物材料相互作用，因此不会“干扰”与测量相关的任何事物。 此外，它们的磁灵敏度可以在室温下发挥作用，因此与其他类型的量子传感器不同，不需要低于-150度的极低温度。
“我们已经证明我们可以让细胞吸收纳米金刚石。 现在我们需要改进我们的方法，使用光镊、激光束来“推动”细胞中的金刚石，这样我们就可以测量细胞的多个部分。 我们目前正在研究这个问题，”Kirstine Berg-Sørensen 说道。
E-MAT 由一系列仪器组成，在受控条件下，可以开发和合成新型材料。 图片来源：DTU
新型量子传感器的开发
尽管量子传感器已经能够比普通传感器执行更精确的测量，但我们仍在进一步改进它们，例如致力于开发新材料的研究人员之间的合作，以及亚历山大·哈克 (Alexander Huck) 凭借他在 NV 钻石和量子传感器方面的专业知识做出的贡献。
“我们的目标是系统地研究是否可以找到一种小型、生物相容性、能够在室温下运行并能够测量生物体大脑中的磁场的新传感器。 这将使我们能够显着扩展我们对大脑过程的了解。 我们计划使用新的定制二维材料来制造新的传感器，使我们能够在原子水平上控制缺陷。”负责这项工作的 DTU 能源教授 Nini Pryds 解释道。
该具体项目的目标是开发一种基于二维材料的全新量子传感器，该传感器将比钻石更灵敏。
“为了创造更好、更便宜、更实用的小型传感器，我们将研究是否有可能使用基于 2D 材料的完全不同类型的磁敏传感器。 有了新的传感器，我们未来的目标是能够在脑部疾病进一步发展之前提供更好的早期检测，”Nini Pryds 说。
新传感器的开发还将受益于 DTU 的新基础设施研究设施 E-MAT。 这是北欧首个用于合成新一代量子材料的此类项目，全球仅在少数几个地方存在。 E-MAT 由具有受控环境的手套箱组成，其中包含一组关键设备，包括最先进的沉积方法，能够在原子尺度上控制表面和界面。 该基础设施不仅可以从理论上预测新材料，还可以实际制造这些材料并对其进行测试。 这使得研究人员相信他们将在未来几年成功开发出新型量子传感器。
量子传感器的测试
一些量子传感器的开发已经取得了很大进展，它们的使用正在现实生活中进行测试。 其中包括量子加速计，它在未来可以替代 GPS 系统进行导航。
在当前的测试版本中，量子传感器是一个大盒子，当安装在飞机上并发送到格陵兰岛以通过地球引力场进行导航时，会占用大量空间。 目标之一是将量子传感器缩小到芯片尺寸，以便在未来它可以在任何地方使用，包括飞机、船只、建筑物、地下和水下。 这将确保其独立于 GPS 系统，因为 GPS 系统可能会受到干扰或欺骗，并对当前的地缘政治局势构成威胁。
Sumber: DTU
