새로운 양자 감지 기술로 자기 연결을 밝힙니다.
혁신은 계산 및 신호 처리를 결합합니다.
날짜:
2023년 2월 17일
원천:
DOE/아르곤 국립 연구소
요약:
한 연구팀이 양자 센서를 사용하여 미세한 자기장 간의 관계를 알아내는 새로운 방법을 시연합니다.
전체 이야기
Q-NEXT 양자 연구 센터가 지원하는 연구팀은 양자 센서를 사용하여 미세한 자기장 간의 관계를 알아내는 새로운 방법을 시연합니다.
파티오 온도계와 주방 온도계의 온도가 갑자기 떨어졌다고 가정해 보겠습니다. 처음에는 한파 때문이라고 생각하고 집안의 열기를 높입니다. 그러다가 밖은 정말 추워졌는데 안에서 누군가가 냉장고 문을 열어 놓았다는 것을 알게 됩니다.
처음에는 온도 강하가 상관 관계가 있다고 생각했습니다. 나중에 당신은 그들이 그렇지 않다는 것을 알았습니다.
측정값이 상관 관계가 있는 시기를 인식하는 것은 가정 난방비뿐만 아니라 모든 과학에 중요합니다. 원자의 특성을 측정할 때 특히 어렵습니다.
이제 과학자 들은 한 쌍의 원자 규모 양자 센서에 의해 감지된 자기장이 상관관계가 있는지 여부를 확인할 수 있는 방법을 개발했다고 사이언스(Science) 에 보고했습니다.
"내가 아는 한, 이것은 사람들이 시도하지 않은 일이고, 그래서 우리는 아무도 볼 수 없었던 이러한 상관 관계를 볼 수 있습니다. 당신은 그것에서 정말 승리합니다." -- Shimon Kolkowitz, University of Wisconsin-Madison
이 연구는 DOE의 아르곤 국립 연구소가 이끄는 미국 에너지부(DOE) 국립 양자 정보 과학 연구 센터인 Q-NEXT의 지원을 받았습니다.
원자 규모에서 독립 실행형 환경과 상관 환경을 구별하는 능력은 의학, 탐색 및 발견 과학에 막대한 영향을 미칠 수 있습니다.
무슨 일이에요
프린스턴 대학과 위스콘신-매디슨 대학의 과학자 팀은 여러 양자 센서에 의해 포착된 자기장이 서로 상관관계가 있는지 또는 독립적인지 알아내는 새로운 기술을 개발하고 시연했습니다.
연구팀은 다이아몬드를 구성하는 탄소 원자 결정의 원자 크기 구멍 옆에 있는 질소 원자로 구성된 NV 센터 또는 질소 공극 센터라고 하는 일종의 다이아몬드 기반 센서에 중점을 두었습니다.
일반적으로 과학자들은 여러 판독 값을 평균하여 단일 NV 센터에서 자기장 강도를 측정합니다. 또는 한 번에 많은 NV 센터의 평균값을 읽을 수도 있습니다.
평균값은 도움이 되지만 너무 많은 정보만 제공합니다. 내일 위스콘신의 평균 기온이 화씨 42도가 될 것이라는 사실을 알면 밤이나 북부 지역이 얼마나 추울지 알 수 없습니다.
"한 위치 또는 특정 시점의 자기장의 값뿐만 아니라 한 위치의 자기장과 근처의 다른 자기장 사이에 관계가 있는지 여부를 알고 싶다면 실제로는 없었습니다. 위스콘신-매디슨 대학의 부교수이자 Q-NEXT 공동 작업자인 논문 공동 저자인 Shimon Kolkowitz는 이렇게 말했습니다.
팀의 새로운 방법은 두 NV 센터의 다중 동시 판독을 사용합니다. 정교한 계산 및 신호 처리 기술을 사용하여 두 지점에서 자기장 간의 관계에 대한 정보를 얻었고 두 판독값이 동일한 소스에서 나온 것인지 여부를 말할 수 있었습니다.
"그들은 같은 자기장을 보고 있었습니까? 그들은 다른 자기장을 보고 있었습니까? 그것이 우리가 이러한 측정에서 얻을 수 있는 것입니다."라고 Kolkowitz는 말했습니다. ?"이전에는 아무도 접근할 수 없었던 유용한 정보입니다. 두 센서가 보고 있는 글로벌 필드와 로컬 필드의 차이를 알 수 있습니다."
중요한 이유
양자 센서는 단일 전자의 움직임에서 발생하는 자기장과 같은 작은 신호를 포착하기 위해 원자 또는 원자와 유사한 시스템의 양자 속성을 활용합니다. 이 필드는 보잘 것 없습니다: 냉장고 자석보다 100,000배 더 약합니다. 양자 센서와 같은 매우 민감한 도구만이 자연에서 가장 작은 규모로 측정할 수 있습니다.
양자 센서는 강력할 것으로 예상됩니다. 예를 들어 NV 센터는 사람 머리카락 굵기의 10,000분의 1에 불과한 특징을 구별할 수 있습니다. 이러한 종류의 하이퍼줌 기능을 사용하면 NV 센터를 살아있는 세포에 배치하여 기능을 내부에서 자세히 볼 수 있습니다. 과학자들은 그것들을 사용하여 질병의 원인을 정확히 찾아낼 수도 있습니다.
"NV를 특별하게 만드는 것은 공간 해상도입니다."라고 Kolkowitz는 말했습니다. ?"그것은 이국적인 물질에서 자기장을 이미징하거나 개별 단백질의 구조를 보는 데 유용합니다."
동시에 여러 지점에서 자기장 강도를 감지하는 Kolkowitz 팀의 새로운 방법을 통해 과학자들은 언젠가 시간과 공간을 통해 자기의 원자 수준 변화를 매핑할 수 있게 될 것입니다.
작동 원리
팀은 어떻게 이러한 유익한 측정을 했습니까? 세분화되었습니다.
전체 자기장 강도에 도달하기 위해 많은 원시 값을 평균화하는 대신 연구원은 각 NV 센터에서 개별 판독 값을 추적한 다음 "공분산"이라는 수학적 조작을 두 목록에 적용했습니다.
두 개의 원시 평균보다 더 자세한 내용을 캡처하는 공분산 계산 수치를 비교하여 필드가 상관되었는지 여부를 확인할 수 있습니다.
"우리는 과거에 했던 것과는 다르게 평균화를 수행하고 있으므로 평균화 과정에서 이 정보를 잃지 않습니다."라고 Kolkowitz는 말했습니다. "그것이 여기서 특별한 것의 일부입니다."
그렇다면 공분산 자기측정법이라고 하는 방법이 지금까지 테스트되지 않은 이유는 무엇입니까?
우선 팀은 여러 NV 센터에서 동시에 측정하기 위한 실험 설정을 구축해야 했습니다. 이 현미경은 Brookhaven National Laboratory가 이끄는 또 다른 DOE National Quantum Information Science Research Center인 Quantum Advantage의 공동 디자인 센터의 구성원인 Nathalie de Leon 교수가 이끄는 Princeton의 팀에서 제작했습니다.
다른 예로, 공분산 자력 측정법은 이러한 작은 자기장의 개별 측정이 매우 신뢰할 수 있는 경우에만 작동합니다. (판독값은 기여하는 측정값만큼만 우수합니다.) 그렇기 때문에 연구자들은 일반적으로 사용되는 다른 도구보다 각 측정값에 대한 자기장에 대한 더 많은 정보가 포함된 원시 판독값을 생성하는 스핀-전하 변환이라는 특수 기술을 사용했습니다.
스핀-전하 변환을 사용하면 개별 측정이 더 오래 걸립니다. 그것은 과학자들이 더 높은 신뢰성을 위해 지불하는 가격입니다.
그러나 공분산과 결합하여 아주 작은 상관 자기장을 측정하면 시간이 많이 절약됩니다.
Kolkowitz는 "기존의 방법을 사용하면 상관 관계가 있는 나노테슬라 신호를 보았다고 말하는 데이터 하나를 얻기 위해 연속적으로 10일 동안 평균을 내야 합니다."라고 말했습니다. ?"반면에 이 새로운 방법을 사용하면 한두 시간이면 됩니다."
공분산 정보를 스핀-전하 변환과 통합함으로써 연구자들은 이전에는 없었던 원자 및 아원자 세부 정보에 접근할 수 있어 이미 강력한 양자 감지 기능을 강화할 수 있습니다.
콜코위츠는 "내가 아는 한, 이것은 사람들이 시도하지 않은 일이며, 그래서 우리는 아무도 볼 수 없었던 이러한 상관관계를 볼 수 있다"고 말했다. ?"당신은 정말 그것에서 승리."
이 작업은 Q-NEXT 센터, 국립 과학 재단, 프린스턴 촉매 이니셔티브, DOE, 과학 사무소, 기본 에너지 과학 사무소, 프린스턴의 일환으로 DOE 과학국 국립 양자 정보 과학 연구 센터의 지원을 받았습니다. Quantum Initiative Postdoctoral Fellowship 및 Oak Ridge Institute for Science and Education의 Intelligence Community Postdoctoral Research Fellowship Program은 미국 에너지부와 국가정보국(Office of the Director of National Intelligence) 간의 기관 간 협약을 통해 이루어졌습니다.
출처 : https://www.sciencedaily.com/