Kuantum Sensör Tek Bir Atomun Özelliklerini İnceleyebilir mi?

Almanya ve Kore’deki araştırmacılar, fizikçilerin uzun zamandır aradığı, tek tek atomlar tarafından üretilen elektrik ve manyetik alanları tespit edebilen bir kuantum sensör inşa ettiler. Cihaz, taramalı tünelleme mikroskobunun metalik ucuna bağlı organik yarı iletken bir molekülden oluşuyor ve geliştiricileri bunun hem biyoloji hem de fizikte kullanılabileceğine inanıyor. Olasılıklar arasında spin etiketli biyomoleküllerin varlığını algılamak ve bir yüzeydeki karmaşık moleküllerin manyetik durumlarını tespit etmek yer alıyor.

Günümüzün en hassas manyetik alan dedektörleri, son derece zayıf alanların varlığını belirlemek için kuantum olaylarını kullanmakta. Elmastaki azot boşluğu (NV) merkezleri en umut verici yeni nesil kuantum sensörlerinden biri olarak karşımıza çıkıyor. Bu yapılar bir atomik kuvvet mikroskobunun (AFM-Atomic Force Microscope) ucundaki bir nanosütun içinde oluşturulabilir ve uzamsal çözünürlükleri 10 ila 100 nm arasında şaşırtıcı derecede hassastır. Ancak böyle bir ölçek hala bir atomun çapından 10 ila 100 kat daha büyük kalmakta.

0.1 nm’lik Bir Uzamsal Çözünürlük

Andreas Heinrich ve Forschungszentrum Jülich ve Kore’nin IBS Kuantum Nanobilim Merkezi’nden (QNS) meslektaşları, mikroskop ucuna yerleştirilebilen yeni bir sensör yani taramalı tünelleme mikroskobu icat etti. Aralarındaki fark bu atomik ölçekli cihazın yalnızca 0,1 nm’lik bir uzamsal çözünürlüğe sahip ve NV merkezlerine dayalı cihazlardan 100 ila 1000 kat daha hassas olması.

Sensör, moleküler spin olarak bilinen eşleşmemiş elektrona sahip bir molekülün metalik bir STM ucunun tepesine bağlanmasıyla oluşturuldu. Daha önce QNS’de çalışan ve şu anda Jülich’te bulunan ekip üyesi Taner Esat, “Tipik olarak bir metalle doğrudan temas halindeki bir spinin ömrü çok kısa ve kontrol edilemez” diyor. “Bu yaklaşımımızla 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic-dianhydride (veya kısaca PTCDA) olarak bilinen düzlemsel bir molekülü, hassas atomik ölçekli manipülasyon kullanarak uç üzerinde özel bir konfigürasyona getirdik ve böylece moleküler spini ayrıştırdık.”

Tek Atomun Manyetik Alanını Belirlemek

Esat, molekülü manyetik alana maruz kaldığında iki seviyeli bir kuantum sistemi gibi çalışan bir spin ½ (yarı spin) sistemi olarak tanımlıyor. Bu fenomen, molekülün temel durumunu manyetik alanın gücüne göre değişen bir enerji farkıyla spin-yukarı (spin-up) ve spin-aşağı (spin-down) durumlarına ayıran Zeeman etkisinden kaynaklanıyor. Araştırmacılar, enerji farkını yaklaşık 100 neV’luk bir çözünürlükle tespit etmek için STM’de elektron spin rezonansını kullandılar. Esat’ın bildirdiğine göre, “Bu, spin durumlarındaki değişime neden olan tek bir atomun (sensörden yalnızca birkaç atomik mesafe uzakta bulunan) manyetik alanını belirlememizi sağladı.”

Bilim insanları, tek bir demir atomunun ve bir gümüş dimerinin manyetik ve elektrik dipol alanlarını altın bir alt tabaka üzerinde 0,1 nm’den fazla bir çözünürlükle ölçerek tekniğin pratikliğini gösterdiler. Esat’a göre bir sonraki aşama, darbeli elektron spin rezonans şemalarına dayanan daha karmaşık algılama protokollerini benimseyerek ve daha uzun spin eşevresizliği sürelerine sahip molekülleri tanımlayarak yeni cihazın manyetik alan hassasiyetini geliştirmek. Araştırmacı, “Hassasiyeti yaklaşık 1000 kat artırmayı umuyoruz, bu da atomik ölçekte nükleer spinleri tespit etmemize olanak tanıyacak” diye açıklıyor.

Kuantum Sensör İçin Amaçlananlar

Yeni atomik ölçekli kuantum manyetik alan sensörü, yakında çıkacak bazı iki boyutlu kuantum malzemelerde spin çözünürlüğüne de izin vermelidir. Bu malzemelerin çok sayıda karmaşık manyetik düzen içermesi bekleniyor, ancak Heinrich ve QNS’den meslektaşı Yujeong Bae bunların geleneksel tekniklerle ölçülemeyeceğini belirtiyor. Bir başka fikir de sensörü, inert bir karbon kafesle çevrili manyetik bir çekirdekten oluşan endohedral-fullerenler gibi kapalı spin sistemlerini araştırmak için kullanmak.

Heinrich, “Kuantum algılamanın temel amacı, yüzeylerdeki karmaşık moleküllerdeki bireysel nükleer spinleri tespit etmektir” diyor. “Bunu yapabilmek, atomik ölçekte uzamsal çözünürlüğe sahip bir manyetik rezonans görüntüleme (MRI) tekniği sağlayacaktır.” Araştırmacılar sensörlerini Nature Nanotechnology’de tanımlıyorlar. Ayrıca cihazın nasıl çalıştığını ve nasıl inşa ettiklerini göstermek için bir video hazırladılar.

Kuantum Sensörlerin Çevreye Nasıl Zarar Vermediğine de bu bağlantıdan ulaşabilirsiniz.