Исследователи из Института Нильса Бора (Niels Bohr Institute) Копенгагенского университета разработали настраиваемую систему, которая открывает путь к более точному зондированию в различных технологиях, включая биомедицинскую диагностику. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Потенциал системы
Потенциал применения системы огромен — от крупномасштабных до мельчайших задач, от обнаружения гравитационных волн в космосе до регистрации крошечных колебаний в нашем теле.
Оптическое зондирование
Оптические технологии зондирования уже стали частью повседневной жизни. В последние годы достижения в области квантовой оптики приблизили чувствительность этих устройств к так называемому стандартному квантовому пределу — практической границе, возникающей из-за неизбежного шума при измерении на микроскопических масштабах.
Преодоление стандартного квантового предела
Превышение этого предела требует использования передовых квантовых методов для подавления или хотя бы уменьшения шума. Такие понятия, как сжатые состояния света, уклонение от обратного действия и запутанность, являются инструментами в этом арсенале.
Обратный шум действия возникает, когда акт измерения нарушает измеряемую систему, в то время как шум обнаружения относится к внутренней неопределённости при считывании сигнала измерения.
Запутанность (квантовые корреляции), которая является ключевой особенностью, отделяющей классическую физику от современной квантовой физики, позволяет проводить зондирование за пределами стандартного квантового предела.
Запутанность впервые наблюдалась в микроскопических системах, таких как отдельные атомы и фотоны. Новая система, разработанная в NBI, использует крупномасштабную запутанность, которая впервые включает в себя многофотонное световое состояние и большой ансамбль атомного спина.
Особенности новой системы
Это необычное сочетание техник, которое позволяет осуществлять частотно-зависимое сжатие, — метод, который динамически уменьшает квантовый шум в широком диапазоне частот. Это имеет решающее значение для таких приложений, как обнаружение гравитационных волн и для многих других сенсорных технологий.
Сжатый свет характеризуется квантовым шумом, уменьшенным или «сжатым» за пределы стандартного квантового предела. Обычно либо шум амплитуды, либо шум фазы световой волны может быть уменьшен путём сжатия. Однако для уменьшения квантового шума в широком диапазоне частот необходимо, чтобы сжатие варьировалось от сжатого шума амплитуды до сжатого шума фазы на разных частотах.
Эта вариация достигается путём пропускания сжатого света через ансамбль атомного спина, который вращает фазу сжатого света в зависимости от его частоты.
Другой важной особенностью ансамбля спинов является его способность инвертировать знак шума с положительного на отрицательный. Эта особенность приводит к подавлению квантового шума, когда сигнал от датчика объединяется с сигналом от ансамбля спинов.
Таким образом, частотно-зависимое сжатие и система с отрицательным массовым спином позволяют одновременно подавлять шум обратного действия и шум обнаружения датчика в широком диапазоне частот.
Профессор Евгений Ползик из Института Нильса Бора объясняет: «Датчик и спиновая система взаимодействуют с двумя запутанными лучами света. После взаимодействия два луча детектируются, а зарегистрированные сигналы объединяются. В результате получается широкополосное обнаружение сигнала за пределами стандартного квантового предела чувствительности».
Перспективы
Будущие гравитационные детекторы, такие как Einstein Telescope, планируемый к строительству в Европе, потребуют километровых резонаторов для той же цели. Новый метод прокладывает путь к аналогичным характеристикам с использованием настольного устройства.
Эта гибридная квантовая сеть, реализованная исследователями NBI, имеет широкие возможности в сенсорных приложениях. Её можно использовать в передовых датчиках для обнаружения крошечных изменений в магнитных полях, времени или ускорении.
В биомедицинских приложениях такие датчики могут повысить разрешение магнитно-резонансной томографии (МРТ), обеспечить более раннее обнаружение неврологических расстройств или повысить чувствительность биосенсоров, используемых в диагностике и мониторинге.
В качестве примера более широкой применимости исследователи также проанализировали, как их система может повысить чувствительность детекторов гравитационных волн, позволяя нам обнаруживать слабые колебания пространства-времени — сигналы о бурных событиях во Вселенной, таких как слияния чёрных дыр и столкновения нейтронных звёзд.
Перезарядка магнетизма: новый метод восстановления магнетизма в тонких плёнках
Современные решения для компьютерной памяти с низким энергопотреблением в значительной степени основаны на манипулировании магнитными свойствами материалов. Понимание влияния химических свойств этих материалов на их способность к намагничиванию имеет ключевое значение для развития этой области.
Исследование, опубликованное в Applied Physics Letters, под руководством исследователей из SANKEN при Университете Осаки, выявило технику восстановления магнетизма в деградированном спинтронике. Этот метод может быть применён для повышения надёжности полупроводниковой памяти следующего поколения.
Спинтроника
Спинтроника использует спин (и заряд) электронов для обработки и хранения памяти, и это достигается практически путём укладки слоёв тонких плёнок материалов, которые ведут себя по-разному под воздействием магнитного поля.
«Эти устройства могут быть энергонезависимыми, маломощными и надёжными, но процесс изготовления может привести к ухудшению их магнитных свойств», — объясняет Томохиро Кояма, ведущий автор исследования.
Тонкие плёнки, необходимые для этих устройств, часто формируются путём распыления, при котором атомы извлекаются и осаждаются на подложку. Однако этот процесс может привести к окислению магнитного слоя, что ухудшает его магнитные свойства.
Устройство, исследованное в этом исследовании, состояло из структуры Co/MgO с подслоями, образованными из Pt или Au. Pt является перспективным материалом для повышения надёжности спинтронических устройств, поскольку он сильно подвержен каталитическому действию, что позволяет химическим реакциям протекать в более мягких условиях.
Исследователи регулировали степень окисления слоя Co, изменяя мощность распыления во время нанесения слоя MgO. Затем проводился отжиг с использованием молекулярного водорода (H₂), и наблюдались изменения магнитных свойств материала.
Измерения аномального эффекта Холла являются стандартным методом измерения магнитных свойств материала. Характерная кривая гистерезиса, связанная с магнитными материалами, наблюдалась только для отожжённого образца, тогда как предварительно обработанный образец демонстрировал лишь минимальный уровень намагниченности.
«Сильное каталитическое действие Pt имеет основополагающее значение для восстановления магнитных свойств Co после окисления и может помочь нам в разработке будущих посткремниевых устройств», — говорит Томохиро Кояма.
Аналогичный набор измерений был проведён с подслоем Au вместо Pt; в этом случае эффекта отжига на намагничивании не наблюдалось. Эти результаты подтверждают, что восстановление намагниченности является результатом включения слоя Pt.
Влияние катализаторов на деградированные тонкоплёночные магниты было раскрыто в этом исследовании и может быть применено к широкому спектру практических устройств. Этот инновационный метод может стать ключом к повышению надёжности полупроводниковой памяти следующего поколения.