Džona Hopkinsa Lietišķās fizikas laboratorijas (APL) zinātnieki izstrādā kvantu sensoru platformu, kas nākotnē varētu palīdzēt karavīriem identificēt ķīmiskus un bioloģiskus draudus tieši laukā. Pētnieki iecerējuši ierīci aptuveni klēpjdatora izmērā, kas spētu analizēt ārkārtīgi mazus potenciāli bīstamu vielu paraugus.

Kodolmagnētiskās rezonanses priekšrocības mazākā ierīcē

Sistēmas pamatā ir mēģinājums apvienot kodolmagnētiskās rezonanses (NMR) spektroskopijas plašās noteikšanas iespējas ar daudz kompaktāka sensora mobilitāti. NMR spektroskopijā magnētiskie lauki tiek izmantoti atomu kodolu spinu ietekmēšanai. Iegūtie signāli satur informāciju par molekulu uzbūvi, ļaujot atšķirt dažādas vielas.

Šo metodi jau plaši izmanto laboratorijās, taču tradicionālās NMR sistēmas ir grūti nogādājamas ārpus laboratorijas. Tām parasti nepieciešami jaudīgi supravadoši magnēti, kriogēnās dzesēšanas iekārtas un salīdzinoši lieli paraugu tilpumi.

APL eksperimentālās fizikas speciālists Jesaja Grejs un viņa komanda izvēlējušies citu pieeju, kurā izmantoti slāpekļa-vakances jeb NV centri dimantā.

Dimanta NV centri darbojas kā kvantu sistēma

NV centrs rodas, kad dimanta kristālrežģī vienu oglekļa atomu aizstāj slāpekļa atoms, bet blakus esošā oglekļa atoma vieta paliek tukša. Šāda struktūra veido kvantu sistēmu, kas reaģē uz apkārtējiem magnētiskajiem laukiem.

Apstarojot NV centru ar zaļu lāzera gaismu, tas izstaro sarkanu gaismu. Izmērot šo starojumu, pētnieki var noteikt NV centra spina stāvokli un no tā secināt informāciju par tuvumā esošo molekulu struktūru.

Šī pieeja teorētiski varētu darboties ar paraugiem, kuros ir tikai desmitiem vai simtiem atomu. Tas būtiski samazinātu nepieciešamā materiāla daudzumu salīdzinājumā ar tradicionālo NMR.

Galvenais šķērslis ir sensora jutība

Lai gan koncepcija ir daudzsološa, būtiska problēma joprojām ir jutība. Dimanta virsmas tuvumā esošo kodolu spini ir jāspēj izmērīt pietiekami ilgi, lai iegūtu izmantojamu signālu.

Greja komanda ierosinājusi šos spinu stāvokļus fiziski ierobežot ļoti sīkās struktūrās, ko pētnieki dēvē par “nanokonteineriem”. Tos paredzēts izveidot tieši uz dimanta virsmas. Datormodelēšana liecina, ka viena no komandas pētītajām ģeometrijām varētu uzlabot NMR jutību un precizitāti aptuveni par vienu kārtu jeb desmitkārtīgi.

Tagad pētnieki strādā pie nanokonteineru struktūras izgatavošanas un pārbauda, vai paredzēto uzlabojumu būs iespējams panākt eksperimentos.

No prototipa līdz izmantošanai laukā

Komanda jau ir izveidojusi darbspējīgu koncepcijas prototipu, kas mēra magnētiskos laukus, nolasot NV centru spinu stāvokļus. Nākamais uzdevums ir panākt pietiekamu izšķirtspēju, lai noteiktu ķīmiskās vielas ārkārtīgi mazos šķidru paraugu tilpumos.

Ja sensoru izdosies padarīt pārnēsājamu, personāls nākotnē varētu nezināmas vielas novērtēt uz vietas, nenogādājot paraugus laboratorijā. APL norāda, ka mērķis nav obligāti atkārtot laboratorijas ķīmijas precizitāti. Praktiskāk būtu ātri atbildēt uz jautājumiem, vai nezināma viela rada draudus un kāds aizsargaprīkojuma līmenis nepieciešams.

Tehnoloģija teorētiski varētu atšķirt arī ķīmiski līdzīgas vielas un identificēt bioloģiskus draudus, tomēr pašreizējā izstrādes stadijā šīs iespējas vēl nav demonstrētas laukam gatavā ierīcē.

Iespējamie lietojumi ārpus draudu noteikšanas

Pētnieki aplūko arī citus NV centros balstītu kvantu magnetometru izmantošanas veidus. Tie varētu noderēt vides monitoringā, magnētiskā lauka kartēšanā navigācijai apstākļos, kad GPS nav pieejams, kā arī zemas frekvences radiosakaros. APL speciālisti apsprieduši iespējamu izmantošanu arī satelītos un kriogēnās sistēmās.

Pašlaik galvenā uzmanība pievērsta tam, lai pierādītu, ka nanoskaļas NMR iespējams padarīt pietiekami jutīgu jēgpilnai ķīmisko vielu noteikšanai. Ja tas izdosies, tehnoloģija, kas parasti saistīta ar lielām laboratorijas iekārtām, varētu tikt pārveidota par kompaktu kvantu sensoru, ko iespējams nogādāt tieši tur, kur atrodas draudi.