Bazen ışık, titreşimler, elektromanyetik radyasyon ve sesten gelen parazitler can sıkıcı olabilir. Çok küçük ve çok uzakta çalışan fizikçiler için gürültü; bir ortam zorlayıcı olabilir. Bunu azaltmak için genellikle büyük ve pahalı çözümler üretmeleri gerekir.
Higgs Bozon parçacıklarının küçük sinyalleri ile dünyanın en uzun ve en hassas yerçekimi dalgalarını görebilmek için dünyanın en büyük ve en güçlü parçacık hızlandırıcısını inşa etmek zorunda kaldılar.
Bilim adamları, en uzaktaki galaksilerin detaylarını görürlerse, atmosferimizin gürültüsünden kaçınmak için uzaya teleskop gönderecekler.
Ancak çözüm her zaman böyle büyük ölçekte değildir. Nature Physics‘te yayınlanan yeni araştırmalarda, Melbourne Üniversitesi’nden bir grup fizikçi, kuantum sensörlerinin yaşadığı gürültüyü, onları döndürerek azaltmanın bir yolunu buldu.
Kuantum sensörleri son derece hassas ve pek çok umut verici uygulama arasında yer alıyor. Bu sensörler hücreler ve proteinlerin içindeki küçük ayrıntıları görünür hale getiren yeni bir MRI (Manyetik Rezonans Görüntüleme) çağını başlatıyor.
Elmasların Dönüşü
Özellikle umut verici olan bu kuantum sensörü, elmaslarda bulunan azot boşluğu (NV) merkezidir. Atom seviyesinde bir hata olduğunda, bir azot atomu bir karbon atomunun yerini alıyor. Elektronları kuantum halde yakalıyor.
Melbourne Üniversitesi Fizik Okulu’ndan Dr Alexander Wood, “Bir elektron aslında bir çubuk mıknatıstır. Kuzey kutbu ve güney kutbu vardır. Bir elektronu manyetik bir alana koyarsak, çok hızlı döner. ” diyor.
Ancak NV merkezlerindeki elektronlar bir elmastaki tek mıknatıs değildir.
Dr Wood: “Bir elmasta iki çeşit karbon vardır ve karbon-12 olarak adlandırılır. Bununla birlikte, her 100 karbon atomunda yaklaşık 1 atom, karbon-13‘dür. Yani fazla bir nötron vardır.
Elektronlar gibi, bu karbon-13 atomlarının her birinin çekirdeği, çubuk mıknatıs gibidir. Bir çubuk mıknatısta olduğu gibi, bir karbon-13 çekirdeğini manyetik bir alana koyarsanız, döner.”
Kuantum sensörleri, uyumluluk olarak adlandırılan ve faz ayrımı olarak bilinen kuantum durumunun kaybolmasına neden olabilecek çevresel ‘gürültüye’ duyarlı bir yapıya sahipler.
Avustralya Araştırma Konseyi tarafından finanse edilen araştırmanın başında bulunan Doçent Andy Martin, NV merkezlerinin kuantum halinin sürdürülmesinin zor olduğunu söylüyor ve ekliyor: “Bir kuantum devresi özellikle manyetik bir alan için çok kırılgan. Manyetik alanda dalgalanmalar varsa, kuantum sensörünü deferze edecektir. “
Nümerik durumun korunması, NV sistemlerini nano ölçekli ortamların kuantum sensörleri olarak kullanmanın anahtarıdır. Kuantum sensörleri üzerine Melbourne araştırma grubu kuran Profesör Hollenberg, kuantum durumunu kabarcık haline benzetiyor.
Profesör Hollenberg: “Çevre ortamın dikenli olması durumunda kuantum devresi çok uzun sürecektir. Ancak çevreniz daha az dikenli ise bu kabarcık daha kısa sürer. NV merkezinin çevreyi son derece küçük ölçeklerde ve yüksek hassasiyette algılayabilmemizin ilkesi de budur.”
Çalışmada, araştırmacılar tüm sistemi hızla döndürerek, faz ayrımının etkisini azaltmaya çalışıyorlardı. Yardımcı Profesör Martin, “Karbon-13 atomlarının dönen atom bar magnetikleri manyetik alanda dallar yaratıyor.
NV merkezleri ile etkileşime giriyor ve tutarlılık ve duyu kabiliyetlerini etkiliyor” diyor.
Karbon-13‘ten gelen sesi en aza indirgemek, kuantum sensörlerinin hassasiyetini arttıracaktır. Böylece nanometre dünyasına daha fazla bilgi sağlanacaktır. Bu, sentetik olarak tasarlanmış ve pahalı izotopik saf karbon-12 elmas kullanılarak veya karbon-13 atomlarının eğrilmesinden durdurularak elde edilebilir.
Karbon-13 eğrilmesinin durdurulması problemi NV merkezi elektronların da durmasını ve bu iplikçiliğin bu kuantum sensörlerinin çalışma şekli açısından hayati önemi olduğudur. Çözüm, NV merkezini, karbon-13 atomlarının atom bar mıknatıslarının dönmeyi bıraktığını düşünerek, kandırmaktır.
Bunu yapmak için Profesör Robert Scholten’ın laboratuarında çalışan ekip, klasik fizik tekniği kullandı. Bu teknik tüm elmasın yüksek hızlarda döndürülmesini içerir.
Dr Wood, “Genellikle kullandığımız manyetik alanda, NV merkezlerinin atom bar-mıknatısları saniyede 2.8 milyar kez dönecek, oysa karbon-13 saniyede 5.000 kez dönebiliyor. Zaten çok hızlı döndüğünden, tüm elması saniyede 5000 kez döndürürsek, NV merkezinin atomik çubuk mıknatısı etkilenmez. Fakat karbon-13 atomları etkilenir. NV merkezi ve karbon-13 şimdi aynı referans çerçevesindedir. Çünkü karbon atomlarının dönüşü ile aynı yönde saniyede 5000 kez dönüyor. Bu NV merkezi karbon-13‘ü sabit olarak görüyor demektir.”
Doçent Martin “Bu sensörlerin gördüğü karbon-13‘teki manyetik alanları, sensörü ve karbon-13‘ü aynı döner çerçevenin içine koyarak, etkin bir şekilde iptal edebiliriz. Burada gördüğümüz durum, dönmediği zaman, oldukça dik bir ortam olmasıdır. Onu döndürdüğünmüzde ise, kütle devrinin ömrünü uzatarak daha az titrekleşir “diyor.
Buna dayanarak elmas tam karbon-13 ile aynı hızda dönerken, optimum hassaslığın oluşacağını varsaymak mümkün. Ancak araştırmacılar, durumun böyle olmadığını fark ettiler.
Tatlı Nokta
Dr Wood “Dönen çerçevede karbon-13 spinleri donana kadar sensörün kuantum oranının yükselmesini beklerseniz, donmuş çerçeveye yaklaştıkça tutarlılık düşmeye başlar. Çünkü karbon- 13‘ler birbirleriyle etkileşime girerek sisteme gürültü ekliyor “diyor.
Araştırmacılar, kabon-13 spinlerinden gelen gürültüyü en çok düşüren sahte alanı tespit ettiler.
Dr. Wood: “Tatlı nokta, normal ve dönen çerçeve sahte alanın kombinasyonu olan toplam bir manyetik alanda bir Gauss’un saniyede 1000 kez karbon atımını gören sensöre eşit olduğu anlamına geliyor.”
Gauss, manyetik akı yoğunluğunun bir ölçümü veya manyetik alan kuvvetidir. Örneğin, bir buzdolabı mıknatısı yaklaşık 100 Gauss ve Dünya’nın manyetik alan gücü yaklaşık olarak Gauss’un yarısıdır. Bu teknik, kısa sürede kuantum MR tarayıcılarının hassasiyetini arttırmak için kullanılabilirken, Prof. Martin de bazı soruların cevaplanmasına yardımcı olabileceğini söylüyor.
Dr. Wood: “Bir su molekülü akışkan değildir. İki su molekülünü de bir akışkan değildir. Bir noktada sıvı olur ve hepsi araştırdığınız ölçeğe göre yapılır.
Artık elmastaki azot kusurlarına dayanan sensörler var. Elmas yüzük gibi büyük bir elmas olmak zorunda değiller. Nano-kristal olabilirler. Oldukça küçük de olabilirler. Dolayısıyla, çevirme ve dönme hareketi ölçebilen bu cihazlara sahip olmak önem arz ediyor. Bu küçük ölçeklerde sadece manyetik alanlar açısından değil aynı zamanda çevirme ve dönme hareketi açısından araştırma yapmaya imkan veriyor.”
