Принстонські фізики підвищили чутливість квантового сенсора на алмазі у 40 разів

Дослідники з Принстонського університету розробили новий квантовий сенсор на основі алмазу, який демонструє приблизно сорокакратне збільшення чутливості порівняно з попередніми технологіями. Ця розробка, детально описана у випуску журналу «Nature» від 26 листопада 2025 року, дозволяє виявляти магнітні явища на нанорівні, які раніше були недоступні для існуючих приладів, надаючи важливі дані про такі матеріали, як графен та надпровідники.

Ключовим елементом інновації є інженерні дефекти в штучно вирощеному алмазі, відомі як центри азот-вакансія (NV). Прорив досягнуто завдяки імплантації двох таких NV-центрів на надзвичайно малій відстані, що дозволило їм взаємодіяти через квантову заплутаність. Ця синхронізація поведінки електронів двох атомів азоту дозволяє сенсорам точно триангулювати сигнатури у зашумлених флуктуаціях, що є вирішальним для спостереження магнітних явищ у просторі між атомним рівнем та довжиною хвилі видимого світла.

Провідну роль у дослідженні відіграла Наталі де Леон, асоційований професор Принстона та старший автор роботи, а теоретичну основу розробки заклав Джаред Ровні, який розпочав роботу над теорією кореляцій у магнітному шумі під час пандемії COVID-19. Вчені створили високочутливий прилад, використовуючи метод бомбардування алмазу молекулами азоту, що рухалися зі швидкістю понад 30 000 футів за секунду, вбудовуючи два атоми азоту на відстані близько 10 нанометрів один від одного.

Експериментальний фізик Філіп Кім з Гарварду, який не брав участі у дослідженні, відзначив, що новий підхід дає змогу безпосередньо досліджувати реальні матеріали, на відміну від попередніх методів, які вимагали роботи з ретельно сконструйованими атомними ґратками. Ця здатність спостерігати магнітні явища у крихітному масштабі має глибоке значення для фізики конденсованого стану, зокрема для розуміння властивостей надпровідників, які є основою для передових медичних інструментів та потенційно для ліній електропередач із нульовими втратами.

Наталі де Леон підкреслила, що новий метод спрощує процес, дозволяючи проводити одне звичайне вимірювання, що усуває складні проблеми, притаманні попереднім підходам, які базувалися на виявленні кореляцій між незаплутаними центрами. Перехід до спрощеної системи з одним вимірюванням на основі заплутаності вказує на реалістичний шлях до практичного застосування цієї технології у вивченні таких матеріалів, як графен, чиї електричні властивості залежать від точного розуміння електронної структури.