Kvantový senzor. Kredit: Chong Zu.

Říše kvant je plná záhad. Na co se zeptáte, ať je to sebejednodušší věc, točí se kolem toho nějaká nejasnost. Co se třeba stane, kvantové objekty pořádně stlačíte? Nevíme to, protože je velmi těžké udělat kvantové senzory, které by vydržely extrémní tlaky.

Tým fyziků, který vedl Chong Zu z Washington University in St. Louis (WashU), na to nedávno zapracoval. Vytvořili kvantové senzory z extrémně pevného nitridu bóru. Takové senzory mohou měřit působení tlak a magnetismus při tlacích, které překračují 30 tisíc atmosfér. Povedlo se jim to jako prvním na světě.

Chong Zu. Kredit: WashU.

Jak vyrobit takový senzor? Badatelé využili neutronové záření k vyražení atomů boru z tenké vrstvy 2D nitridu boru. Vznikly defekty, prázdná místa, která mohla ihned pojmout elektrony. Kvůli interakcím na kvantové úrovni tyto elektrony mění energie spinu v souvislosti s magnetismem, namáháním materiálu, teplotou a dalšími vlastnostmi materiálu v okolí senzoru. Sledování spinu každého elektronu přináší informaci o dotyčném materiálu na kvantové úrovni.

Zu a jeho kolegové už vyvíjeli kvantové senzory dříve. Tehdy vsadili na diamanty s defekty. Diamantové senzory fungovaly slušně, ale ukázalo se, že diamanty, protože mají 3D strukturu, je obtížné vhodně umístit do blízkosti studovaného materiálu. Naproti tomu senzory ze 2D nitridu boru jsou tenčí než 100 nanometrů, což je zhruba tisícina lidského vlasu. V důsledku toho se senzor dostane ke studovanému materiálu na vzdálenost menší než 1 nanometr.

Logo. Kredit: WashU.

Diamanty ale přesto zůstávají ve hře. Pro měření při extrémních tlacích je nutné použít pevný podklad, aby nedošlo k poškození vzorku či senzoru. Zu a jeho kolegové vytvořili diamantové kovadliny o tloušťce zhruba 400 mikrometrů, které v průběhu experimentu stlačovali směrem k sobě.

První testy potvrdily, že nové kvantové senzory mohou detekovat při velkém tlaku magnetické pole ve 2D magnetu. Teď přijdou na řadu horniny, jaké se vyskytují v zemských hlubinách, což poslouží výzkumu zemětřesení a dalších geologických procesů. Senzory by také mohly popohnat výzkum supravodivosti, extrémních materiálů, jaké předpokládáme ve vesmíru a samozřejmě i výzkum v oblasti kvantové mechaniky.

Video: Emergent hydrodynamics in a strongly interacting dipolar spin ensemble in diamond, Chong Zu

Literatura

WashU 3. 9. 2025.

Nature Communications 16: 8162.