Аргоннская национальная лаборатория США запускает проект квантовых датчиков на основе алмаза для измерений электромагнитных полей в физике высоких энергий

Аргоннская национальная лаборатория Министерства энергетики США недавно запустила новый трёхлетний исследовательский проект с бюджетом 1 миллион долларов, планируя объединить квантовую информатику с исследованиями в области физики высоких энергий для разработки нового поколения квантовых датчиков на основе алмазных материалов, предназначенных для более точного измерения и картирования электромагнитных полей.

В этой вакуумной камере, заполненной плазмой, находится алмазная подложка для изготовления алмазных плёнок (не показаны на изображении), в которых расположены азотно-вакансионные кубиты. (Фото: Назар·Делиган/Аргоннская национальная лаборатория.)

В экспериментах по физике высоких энергий точность измерений электромагнитных полей напрямую определяет достоверность результатов. Будь то анализ импульса фрагментов вещества, образующихся после столкновения частиц, или отслеживание мельчайших изменений движения частиц, хранящихся в магнитных кольцах, исследователям необходимо точно знать распределение магнитных и электрических полей в экспериментальной среде, а также их пространственно-временные изменения. Даже небольшая погрешность измерений может ограничить точность эксперимента.

Основной технологией проекта являются азотно-вакансионные центры (NV-центры) в алмазе. Эта структура состоит из атома азота в кристалле алмаза и соседней вакансии углеродного атома и обладает квантовыми энергетическими уровнями, которые можно считывать с помощью света и микроволнового излучения. При изменении окружающего магнитного или электрического поля её энергетические уровни также меняются, что позволяет использовать её для высокочувствительного обнаружения электромагнитных полей.

Команда проекта сообщает, что цели исследования включают создание сверхточных NV-квантовых датчиков, разработку прототипа крупномасштабной системы картирования магнитных полей и создание основы для массивов датчиков, применимых в быстро меняющихся электромагнитных средах. Исследователи также планируют адаптировать алмазные материалы под требования экспериментов по физике высоких энергий и проводить испытания как в лабораторных условиях, так и в реальных условиях эксплуатации, включая среды с высокими магнитными полями и высоким уровнем радиации.

В Аргоннской национальной лаборатории алмазные плёнки вырезаются и отделяются от более крупных слоёв материала с помощью специальных инструментов. (Фото: Назар·Делиган/Аргоннская национальная лаборатория.)

Благодаря естественной радиационной стойкости, компактным размерам и способности одновременно измерять несколько физических величин, квантовые датчики на основе алмаза считаются пригодными для применения в жёстких экспериментальных условиях. Для установок физики высоких энергий с ограниченным пространством, высоким уровнем радиации или повышенными требованиями к точности измерений такие датчики могут снизить потребность в приборах и кабелях, а также предоставить более полную информацию об условиях эксперимента.

Руководитель проекта отмечает, что исследовательская группа надеется создать сенсорную платформу, интегрируемую с существующими микроэлектронными системами, что позволит квантовым датчикам выйти на площадки будущих ускорителей и экспериментов по физике высоких энергий. При успешном ходе проекта эта технология поможет учёным снизить неопределённость измерений, повысить точность экспериментов и обеспечить новую техническую поддержку для изучения фундаментальных свойств материи.

Исследование финансируется программой квантовой информатики Управления физики высоких энергий Министерства энергетики США.