تجربه‌ای شگفت‌انگیز: دو برابر شدن قدرت مغناطیسی سنسورهای کوانتومی با استفاده از انگور

در یک تحقیق جالب، با استفاده از بینش‌هایی حاصل از انگورهای معمولی سوپرمارکت، محققان موفق به بهبود عملکرد سنسورهای کوانتومی شدند.

این مطالعه نشان می‌دهد که جفت‌های انگور نقاط داغ میدان مغناطیسی محلی برای مایکروویوها ایجاد می‌کنند که به توسعه سنسورهای کوانتومی فشرده و مقرون به صرفه کمک می‌کند. کار تیم دانشگاه مک کواری در سیدنی، براساس ویدئوهای ویروسی از ایجاد پلاسما، یعنی ذرات باردار درخشان، توسط انگورها در مایکروویوها صورت گرفته است.

علی فواز، دانشجوی دکترای فیزیک کوانتومی در دانشگاه مک کواری و نویسنده ارشد بیان کرد: "در حالی که مطالعات قبلی به میدان‌های الکتریکی که باعث اثر پلاسما می‌شدند پرداختند، ما نشان دادیم که جفت‌های انگور می‌توانند میدان‌های مغناطیسی را که برای برنامه‌های سنجش کوانتومی حیاتی هستند نیز تقویت کنند."

تقویت میدان مغناطیسی

انگور یکی از میوه‌های محبوب با فواید سلامت بسیار است. از زمانی که در سال ۱۹۹۴ جرقه‌هایی بین دو برش انگور در مایکروویو مشاهده شد، این پدیده به کلید مطالعه یک مسئله جذاب فیزیکی تبدیل شده است.

تحقیق نشان می‌دهد که جفت‌های انگور یا ساختارهای مشابه مبتنی بر آب، به عنوان تشدیدکننده‌های مایکروویو عمل می‌کنند و به دلیل شکل و ثابت دی الکتریکی بالا، میدان‌های الکتریکی را به دام می‌اندازند. جرقه‌ها زمانی رخ می‌دهند که پلاسما از یون‌های فلزی در انگور‌ها به وجود می‌آید. به گفته تیم تحقیق، این پدیده الهام بخش اکتشافات فنی شده است که نیاز به تقویت قوی میدان مایکروویو دارند.

تشدیدکننده‌های مایکروویو در فناوری‌هایی مانند ماهواره‌ها، مزرها و سیستم‌های کوانتومی، میدان‌ها را به مناطق کوچک محدود می‌کنند. در برنامه‌های کوانتومی، آنها سیستم‌هایی مانند کوبیت‌های چرخشی را از طریق میدان‌های مغناطیسی هدایت می‌کنند.

در کار جدید، جفت‌های انگور میدان‌های مغناطیسی را برای رانده کردن چرخش‌های مراکز نیتروژن-خلاصی در نانو الماس‌ها به کارآمدی تقویت می‌کنند و امکان‌پذیر کردن تکنولوژی‌های کوانتومی فشرده را فراهم می‌کنند. تیم مک کواری به تاثیرات میدان مغناطیسی که برای برنامه‌های کوانتومی مهم هستند پرداخته‌اند، در حالی که تحقیقات قبلی بیشتر بر روی میدان‌های الکتریکی تمرکز داشتند.

تیم از نانو الماس‌های ویژه با مراکز نیتروژن-خلاصی استفاده کرده‌اند—عیوب در مقیاس اتمی که به عنوان سنسورهای کوانتومی عمل می‌کنند. این عیوب، که از جمله عیوبی هستند که به الماس‌ها رنگ می‌دهند، توانایی حس کردن میدان‌های مغناطیسی را دارند و مانند آهنرباهای کوچک عمل می‌کنند.

ساراث رامن نایر، مدرس فناوری کوانتومی در دانشگاه مک کواری و یکی از نویسندگان مطالعه، در بیانیه‌ای گفت: "الماس‌های خالص بی‌رنگ هستند، اما هنگامی که اتم‌های خاصی جایگزین اتم‌های کربن شوند، ممکن است مراکز عیب به اصطلاح با خواص نوری تشکیل شوند. مراکز نیتروژن-خلاصی در نانو الماس‌هایی که در این مطالعه استفاده کردیم، مانند آهنرباهای کوچکی عمل می‌کنند که می‌توانیم برای حس کوانتومی از آنها استفاده کنیم."

انگور سنسورها را بهبود می‌بخشد

برای مطالعه، تیم خاطر نشان کرد که در انتهای یک فیبر نازک شیشه‌ای، سنسور کوانتومی خود—یعنی الماسی با اتم‌های خاص—را بین دو انگور قرار دادند. این اتم‌ها ممکن است اگر نور لیزر سبز را از طریق فیبر تابانده شوند، قرمز برقزند. درخشندگی نور قرمز شدت میدان مایکروویو دراطراف انگور‌ها را نشان داد.

محققان نشان دادند که افزودن انگور به تنظیمات مایکروویو قدرت میدان مغناطیسی را دو برابر می‌کند. این یافته‌ها مسیر را برای اکتشافات طراحی‌های جایگزین تشدیدکننده‌های مایکروویو باز می‌کند که ممکن است دستگاه‌های حس کوانتومی کوچکتر و کارآمدتر را امکان‌پذیر کند.

به گفته تیم، اندازه و شکل انگورها حیاتی بود، با آزمایشاتی که بر روی انگورهایی با طول تقریبی ۲۷ میلی‌متر متمرکز بود تا انرژی مایکروویو را با فرکانس صحیح برای سنسورهای کوانتومی الماس متمرکز کند.

سنتا، یاقوت کبود در حس کوانتومی استفاده می‌شود، اما تیم فرض کرد که آب می‌تواند عملکرد بهتری داشته باشد. انگور‌ها، که بیشتر آب را در یک پوست نازک گیر می‌اندازند، مدل ایده‌آل برای آزمایش این روش نوآورانه ارائه کردند.

فواز در بیانیه‌ای گفت: "آب در واقع بهتر از یاقوت کبود انرژی مایکروویو را متمرکز می‌کند، اما همچنین کمتر پایدار است و انرژی بیشتری را در این فرآیند از دست می‌دهد. این چالش اصلی ما برای حل است."

محققان اکنون به بررسی مواد مطمئن‌تر می‌پردازند که از خواص منحصر به فرد آب استفاده می‌کنند و هدف از آن‌ها توسعه دستگاه‌های حس کارآمدتر است.

جزئیات تحقیقات تیم در مجله Physical Review Applied منتشر شده است.