We leven in een lawaaierige wereld. Interferentie van licht, trillingen, elektromagnetische straling en geluid kunnen vervelend zijn; het verstoort onze slaap en kan interfereren met onze elektrische apparatuur.

Voor natuurkundigen die het zeer kleine en het zeer verre bestuderen, lawaai kan een deal-breaker zijn. Om het te verminderen, ze moeten vaak grote, dure oplossingen.

Ze moesten 's werelds grootste en krachtigste deeltjesversneller bouwen om het kleine signaal van het Higgs Boson-deeltje te zien, en 's werelds langste en meest gevoelige heerser om zwaartekrachtsgolven te zien. Wetenschappers moeten telescopen de ruimte in sturen om het geluid van onze atmosfeer te vermijden als ze de details van de meest verre sterrenstelsels willen zien.

Maar de oplossing is niet altijd op zo'n grote schaal. In nieuw onderzoek gepubliceerd in Natuurfysica , een groep natuurkundigen van de Universiteit van Melbourne heeft een manier gevonden om het geluid van kwantumsensoren te verminderen door ze gewoon te laten draaien.

Quantumsensoren zijn zeer gevoelig en onder hun vele veelbelovende toepassingen luiden ze een nieuw tijdperk in van MRI (Magnetic Resonance Imaging) die de kleine details in cellen en eiwitten zichtbaar maakt.

Een bijzonder veelbelovende kwantumsensor is het stikstofleegstand (NV) centrum, gevonden in diamanten. Dit is een fout op atomair niveau, waarbij een stikstofatoom een ​​koolstofatoom vervangt, het vangen van elektronen in een kwantumtoestand.

"Een elektron is in wezen een staafmagneet, " zegt Dr. Alexander Wood van de School of Physics aan de Universiteit van Melbourne, die eerste auteur was van het Nature Physics paper.

"Het heeft een noordpool en een zuidpool. En als we een elektron in een magnetisch veld plaatsen, het zal heel snel draaien."

Maar de elektronen in NV-centra zijn niet de enige magneten in een diamant.

"In een diamant heb je twee soorten koolstof. De meeste zijn wat koolstof-12 wordt genoemd, wat nogal saai is, ’ zegt dokter Wood.

"Echter, ongeveer 1 op elke 100 koolstofatomen is een koolstof-13. Het heeft een extra neutron.

"Als elektronen, de kern van elk van deze koolstof-13-atomen is als een kleine staafmagneet. En, als een staafmagneet, als je een koolstof-13-kern in een magnetisch veld plaatst, het draait."

Kwantumstaten vertrouwen op een eigenschap die coherentie wordt genoemd, die gevoelig is voor omgevingsgeluiden die kunnen leiden tot verlies van de kwantumtoestand, bekend als defasering. Universitair hoofddocent Andy Martin, die de door de Australian Research Council gefinancierde studie leidde, zegt dat het moeilijk is om de kwantumstatus van NV-centra te handhaven.

"Een kwantumtoestand is kwetsbaar. Het is vooral kwetsbaar voor het magnetische veld. Als je fluctuaties in het magnetische veld hebt, zal het de kwantumsensor defaseren."

Het handhaven van de kwantumtoestand is de sleutel tot het gebruik van NV-systemen als kwantumsensoren van omgevingen op nanoschaal

Professor Hollenberg, die een onderzoeksgroep van de Universiteit van Melbourne leidt op het gebied van kwantumsensoren, vergelijkt de kwantumtoestand met een zeepbel.

"Als je omgeving stekelig is, dan duurt de kwantumtoestand niet lang. Maar als je omgeving minder stekelig is, die bubbel gaat veel langer mee, " hij zegt.

"Dit is het principe waarmee we de omgeving rond het NV-centrum op extreem kleine schaal en hoge gevoeligheid kunnen voelen."

In de studie, onderzoekers probeerden het effect van defasering te verminderen door het hele systeem snel te roteren.

"De draaiende atomaire staafmagneten van de koolstof-13-atomen creëren prikkels in het magnetische veld - ze interageren met de NV-centra, de samenhang en het vermogen om te voelen aantasten, ', zegt universitair hoofddocent Martin.

Het minimaliseren van de ruis van koolstof-13 verhoogt de gevoeligheid van kwantumsensoren, die moeten leiden tot meer inzicht in de wereld op nanoschaal.

Dit kan worden bereikt met behulp van synthetisch gemanipuleerde en dure isotopisch zuivere koolstof-12-diamanten, of door de koolstof-13-atomen te stoppen met draaien. Het probleem met het stoppen van het draaien van koolstof-13 is dat de NV-centrumelektronen ook zouden stoppen met draaien, en dit draaien is cruciaal voor hoe deze kwantumsensoren werken.

De oplossing is om het NV-centrum te laten denken dat de atomaire staafmagneten van de koolstof-13-atomen zijn gestopt met draaien.

Hiervoor heeft het team werkzaam in het laboratorium van prof.dr. Robert Scholten, gebruikte een techniek uit de klassieke natuurkunde. Het gaat om het roteren van de hele diamant met hoge snelheden.

"In het magnetische veld dat we gewoonlijk gebruiken, atomaire staafmagneten van de NV-centra zullen ongeveer 2,8 miljard keer per seconde draaien, terwijl de koolstof-13 ongeveer 5 zal draaien, 000 keer per seconde, ’ zegt dokter Wood.

"Omdat het al zo snel draait, als we de hele diamant op 5 draaien, 000 keer per seconde, de atomaire staafmagneet van het NV-centrum wordt niet aangetast.

"Maar de koolstof-13-atomen worden beïnvloed. En omdat het NV-centrum en de koolstof-13 zich nu in hetzelfde referentiekader bevinden, draaien om 5, 000 keer per seconde in dezelfde richting als de koolstofatomen draaien, het betekent dat het NV-centrum de koolstof-13 als in wezen stationair ziet.

"Dus je kunt de magnetische velden van de koolstof-13 die deze sensoren zien effectief annuleren door je sensor en de koolstof-13 in hetzelfde roterende frame te plaatsen."

"Wat we hier hebben, is een omgeving die, als je niet draait, behoorlijk stekelig is. En als je hem draait, het wordt minder stekelig, het verlengen van de levensduur van de kwantumtoestand, ', zegt universitair hoofddocent Martin.

Op basis hiervan zouden we aannemen dat de optimale precisie zou optreden wanneer de diamant met precies dezelfde snelheid ronddraaide als de koolstof-13. Maar de onderzoekers ontdekten dat dit niet het geval was.

"Je zou verwachten dat de kwantum-heid van de sensor omhoog en omhoog gaat totdat de koolstof-13-spins zijn bevroren in het roterende frame, maar naarmate we dichter bij het bevroren frame komen, de samenhang begint af te nemen, omdat de koolstof-13's met elkaar gaan interageren, het toevoegen van ruis in het systeem, ’ zegt dokter Wood.

De onderzoekers hebben het pseudoveld bepaald dat de grootste ruisonderdrukking geeft van de cabon-13-spins.

"De sweet spot lijkt zich in een totaal magnetisch veld te bevinden - wat de combinatie is van het normale veld en het pseudo-veld van het roterende frame - van één Gauss, wat overeenkomt met de sensor die de koolstof ongeveer 1000 keer per seconde ziet draaien, ’ zegt dokter Wood.

"De Gauss is een meting van magnetische fluxdichtheid, of magnetische veldsterkte. Bijvoorbeeld, een koelkastmagneet is ongeveer 100 Gauss en de magnetische veldsterkte van de aarde is ongeveer een halve Gauss."

Hoewel deze techniek binnenkort kan worden gebruikt om de precisie van kwantum-MRI-scanners te verbeteren, Universitair hoofddocent Martin zegt dat het ook kan helpen om enkele fundamentele vragen in de natuurkunde te beantwoorden.

"Bijvoorbeeld, kwantumsensoren kunnen helpen bij het beantwoorden van vragen als; wanneer wordt een vloeistof een vloeistof?" zegt hij.

"Neem een ​​watermolecuul, dat is geen vloeistof. Neem twee watermoleculen, dat is ook geen vloeistof. Op een gegeven moment wordt het een vloeistof en het heeft allemaal te maken met de schaal waarop je meet. En daar kun je alleen naar kijken als je tot op die schalen kunt peilen.

"Nu heb je deze sensoren op basis van stikstofdefecten in diamanten. Ze hoeven geen grote diamant te zijn zoals een diamanten ring, het kunnen nanokristallen zijn. Ze kunnen extreem klein zijn.

"Dus je begint deze apparaten te hebben die translationele en, nu, roterende beweging. Het geeft je een sonde op deze zeer kleine schaal, niet alleen in termen van magnetische velden, maar in termen van de translatie- en rotatiebeweging."