Квантові сенсори з алмазу допоможуть точніше вимірювати поля

18 серпня 2026 р. 20:01

18 серпня 2026 р. 20:01

Аргоннська національна лабораторія США запускає новий трирічний проєкт вартістю 1 мільйон доларів, у межах якого об’єднає фахівців з квантової інформаційної науки та фізики високих енергій. Мета ініціативи — створити алмазні квантові сенсори, здатні вимірювати електромагнітні поля з безпрецедентною точністю. Про це повідомляє Newswise Science News .

Щоб зрозуміти, як взаємодіють найменші «цеглинки» Всесвіту, фізикам потрібні надточні дані про те, як електромагнітні сили впливають на речовину. Під час вимірювання імпульсу частинок після зіткнень у прискорювачах або відстеження тонких змін руху частинок у магнітних кільцях навіть невеликі невизначеності в полях можуть обмежити точність експериментів.

Алмаз як платформа для квантових сенсорів

Новий проєкт спирається на дві ключові сильні сторони лабораторії: квантову інформаційну науку та фізику частинок. Команда планує розробити покоління квантових сенсорів на основі алмазних матеріалів, які зможуть точно картувати електромагнітні поля та водночас легко інтегруватися з майбутніми прискорювачами частинок.

Керівник проєкту, фізик Пітер Вінтер (Peter Winter), пояснює, що багато експериментів у фізиці високих енергій мають спільну рису — вони покладаються на магнітні поля й вимагають їхнього дуже точного картування. Нові сенсори мають стати універсальним інструментом, придатним для широкого кола таких установок.

У центрі розробки — крихітні дефекти в алмазі, відомі як центри азот-вакансія (NV-центри). Вони виникають, коли атом азоту розташований поруч із відсутнім атомом вуглецю в кристалічній решітці алмазу. Такий дефект поводиться як мікроскопічний «захоплений» магніт з кількома енергетичними станами, які змінюються під дією магнітних та електричних полів.

Дослідники використовують світло та мікрохвилі, щоб зчитувати інформацію з цих станів. Завдяки цьому NV-центри можуть працювати як надчутливі датчики електромагнітних полів. Аргоннська лабораторія та її партнери вже багато років удосконалюють технологію NV-центрів, а тепер адаптують її до специфічних потреб фізики високих енергій.

Інтеграція з мікроелектронікою та екстремальні умови

Співкерівник проєкту, науковець Назар Делеган, зазначає, що команда створила технологічну платформу, яку можна інтегрувати з наявними мікроелектронними системами. Це дає широку гнучкість як з інженерного, так і з наукового погляду.

Різні експерименти у фізиці високих енергій мають різні вимоги: одні працюють у зонах з інтенсивним випромінюванням, інші потребують виняткової точності вимірювань, а ще інші обмежені простором для розміщення приладів. Алмазні квантові сенсори потенційно можуть відповідати всім цим умовам.

Команда планує кілька ключових напрямів роботи:

• створення прототипів надточних квантових сенсорів на основі NV-центрів;
• розробка систем для картування магнітних полів на великих площах;
• закладання основ для масивів сенсорів, здатних працювати в середовищах зі швидко змінними електромагнітними полями.

Спершу вчені будуть «налаштовувати» алмазні матеріали під конкретні потреби експериментів з фізики високих енергій. Далі сенсори протестують у лабораторних умовах і в реальних установках — зокрема в сильних магнітних полях та середовищах з високим рівнем радіації. Завершальний етап — створення готових до використання прототипів, які можна буде вбудовувати у майбутні експерименти.

Переваги та ширші перспективи

Алмазні квантові сенсори природно стійкі до радіації, що робить їх привабливими для найскладніших умов. Їхня компактність може зменшити обсяг кабелів та додаткової апаратури в експериментах, а здатність одночасно вимірювати кілька параметрів дає змогу отримувати повнішу картину умов у зоні вимірювань.

Проєкт також має освітній вимір: участь у ньому відкриває можливості для студентів і молодих дослідників. Оскільки робота охоплює квантову інформаційну науку, матеріалознавство, інженерію та фізику частинок, учасники здобуватимуть досвід міждисциплінарної співпраці — навички, які стають дедалі важливішими в сучасній науці.

Делеган підкреслює, що йдеться про ще один напрямок ймовірної «квантової революції». Технології, які ще 5–10 років тому здавалися науковою фантастикою, нині розглядаються як практичні інструменти, здатні в майбутньому навіть стати основою для комерційних розробок.

Дослідники сподіваються, що створена технологія буде достатньо універсальною, щоб працювати в багатьох різних експериментах і зрештою вийти за межі фундаментальної науки. Якщо проєкт буде успішним, він допоможе зменшити невизначеності у вимірюваннях, підвищити точність експериментів і відкрити нові можливості для вивчення фундаментальної природи Всесвіту — завдяки квантовим властивостям крихітних дефектів усередині алмазу.

Робота фінансується Офісом фізики високих енергій Міністерства енергетики США в межах його програми з квантової інформаційної науки.

Наука