сенсорика на NV-центрах

Прибой набегает на берег не ровным фронтом, а языками пены, которые то сливаются, то расходятся. Магнитные поля внутри материалов ведут себя похоже: они дышат волнами, и до сих пор никто не видел их целиком. Физики из Принстона собрали устройство, которое впервые ловит эти волны так, как радар ловит самолёты, то есть определяет не только силу сигнала, но и его направление, длину и скорость.

Шар из алюминия диаметром с большой глобус стоит в пучке нейтронов и отвечает на каждый удар точной нотой. Внутри шара нет ничего, кроме азота и одиннадцати крошечных стальных шариков, каждый размером с булавочную головку. Когда нейтрон влетает в шар, он выбивает из атома азота частицу, и этот толчок превращается в электрический сигнал.

Крошечный алмаз, невидимый глазу, лежит на чипе и чувствует тепло так, как не может ни один обычный градусник. Внутри него спрятаны два дефекта — места, где атом углерода заменён атомом азота, а рядом пустота. Эти дефекты работают как пара чувствительных стрелок: под действием микроволн они колеблются, и частота их колебаний меняется, когда алмаз нагревается или остывает.

Металл из пяти разных атомов — как суп, в котором плавают кусочки моркови, гороха, картофеля, лука и мяса. Каждый кусочек — свой элемент: хром, ванадий, титан, ниобий и тантал. Такой сплав называют высокоэнтропийным: в нём нет единого кристаллического порядка, атомы перемешаны почти случайно.

Магнитное поле Земли непостоянно: оно дрожит от солнечного ветра, от далёких гроз, от работы метро. Чтобы заметить эти дрожания, нужен прибор, который сам не дрожит. Физики собрали такой прибор из атомов иттербия, охлаждённых почти до абсолютного нуля. В обычном газе атомы носятся хаотично, их сигнал размывается за миллисекунды.

Крошечный дефект в кристалле алмаза — азот-вакансионный центр, где атом азота и соседняя вакансия (пустота) образуют квантовую систему, — работает как сверхчувствительный датчик магнитных полей, словно чуткий микрофон, улавливающий малейшие колебания. Чтобы услышать «шёпот» отдельных молекул, датчик размещают у самой поверхности кристалла.

Создать узел квантовой сети — всё равно что научить танцора балансировать на углеродной нити над пропастью. Одна нога должна легко отрываться от опоры, метая фотоны-вестники во внешний мир. Другая — намертво цепляться за канат, храня драгоценную квантовую информацию.

В глубине алмазного кристалла, усыпанного NV-центрами, дремлет симфония. Каждый дефект — как камертон, готовый отозваться на пробегающую акустическую волну. Но поодиночке их голоса еле слышны: связь спина и фонона слабее шёпота. Нужен маэстро, способный превратить робкие колебания в громогласный хор. И такой маэстро — лазерный луч.

Глубоко под землёй железо раскалено добела, а давление там такое, что обычный прибор сплющился бы в лепёшку. Чтобы заглянуть в этот мир, физики создали особый микроскоп на крошечных алмазных дефектах (так называемых NV-центрах).

Точечный дефект в кристаллической решётке нитрида бора работает как миниатюрный оптический индикатор. При возбуждении светом он испускает свечение, цвет которого сдвигается в красную область с ростом температуры: это классическая термометрическая зависимость.

Обычные магнитные датчики теряют чувствительность при уменьшении размеров. Но учёные превратили крошечный алмаз в световой компас. В отличие от ювелирных алмазов, здесь ценны не чистота, а искусственно созданные дефекты — азотно-вакансионные центры (NV-центры), которые и превращают кристалл в компас.

Попытка пересчитать людей в тёмной комнате по звуку дыхания упирается в общий шум — отдельных вдохов не слышно. Похожая задача стоит перед учёными, которые работают с квантовыми спинами в твёрдых телах. Каждый спин (магнитный момент электрона) обладает своим «голосом», но его заглушает технический шум приборов.

В алмазе, как и в любом кристалле, неизбежно возникают дефекты кристаллической решётки: вакансии (пустые узелки, где отсутствует атом) или примесные атомы, занявшие чужое место.

В тёмной комнате на лазерном луче висит стеклянная бусина размером с пылинку. Под ней — два зеркала: алюминиевое и серебряное. Если где-то рядом проносятся аксионы — лёгкие частицы-невидимки, которые могли бы составить таинственную тёмную материю, — они обмениваются ими с атомами зеркал, и бусина чуть-чуть смещается.

В алмазных квантовых устройствах есть крошечный дефект — азотно-вакансионный центр (атом азота плюс пустота вместо атома углерода). Он работает как переключатель, который самопроизвольно щёлкает туда-сюда: может нести лишний электрон или не нести, и от этого зависит, светится он или нет. Но стоит рядом оказаться примеси азота — и переключатель начинает жить своей жизнью.

Крошечный алмаз с дефектом — атом азота рядом с пустотой в кристалле. Этот дефект, NV-центр, работает как магнитная стрелка: под зелёным светом он светится красным, а яркость свечения зависит от того, куда направлено его магнитное поле. Так измеряют магнитные поля с большой точностью — например, следят за работой одного нейрона или ищут скрытые трещины в материалах.

Если менять не состав, а только расположение атомов, можно заставить один и тот же материал по-разному пропускать ток или поглощать свет. Именно это и проделали авторы работы с оксидами никеля и кобальта. В одном случае атомы уложены как шары в кубической коробке — каждый атом металла окружён шестью атомами кислорода (структура каменной соли).

В крошечном магните информация записана не в том, куда смотрит стрелка, а в том, как чередуются направления его атомов. У антиферромагнетиков эти стрелки компенсируют друг друга, поэтому снаружи материал кажется немагнитным. Запись есть, но прочитать её обычным способом нельзя: состояние как записка, написанная невидимыми чернилами.

В упорядоченной кристаллической решётке алмаза иногда встречаются структурные дефекты: атом азота замещает углерод в узле, а соседний узел остаётся пустым — вакантным. Такой дефект, называемый азотно-вакансионным центром, превращается в сверхчувствительный алмазный компас — его магнитный момент, подобно стрелке, реагирует на ничтожные изменения внешнего магнитного поля.

Внутри стеклянной капсулы размером с горошину парят атомы рубидия. Луч лазера переводит их в особое состояние — ридберговское, когда электрон улетает далеко от ядра и атом становится необычайно чувствительным к внешним полям. Если рядом появляется слабое электрическое поле, атомы слегка меняют отклик на второй, считывающий луч.

Силовой транзистор на карбиде кремния работает под напряжением, которое в тысячи раз выше розеточного. Если внутри него поле распределится неравномерно, прибор сгорит. Раньше увидеть это поле не могли: оно слишком сильное для обычных датчиков, а прибор при этом должен оставаться под напряжением.

В куске алмаза спрятан крошечный дефект — атом азота рядом с пустотой. Этот дефект ловит магнитные поля, как антенна ловит радиоволны, и отвечает вспышками света. Такие датчики уже меряют температуру внутри живых клеток и ищут дефекты в микросхемах. Беда в том, что сигнал от одного дефекта тонет в шуме. Чтобы вытащить полезное, прибор повторяет измерение сотни раз и усредняет.

В лабораториях, где атомы охлаждают почти до абсолютного нуля, даже крошечное изменение магнитного поля сбивает все настройки. Обычные датчики — пластинки Холла или катушки с ферритовым сердечником — стоят в нескольких сантиметрах от вакуумной камеры, потому что сами создают помехи. Но расстояние означает, что они не чувствуют поле именно там, где находятся атомы.

Магнит на холодильнике притягивает скрепку — это поле мы чувствуем руками. А теперь уменьшите это поле в миллиард раз. Такие слабые сигналы испускают атомы внутри нашего тела, и их очень трудно поймать. Учёные собрали датчик из особых молекул, которые сами ведут себя как крошечные магнитики.

Крошечный дефект в кристалле алмаза работает как чувствительная антенна. Если рядом колеблется магнитное поле, этот дефект — азотная вакансия — откликается свечением. Раньше, чтобы услышать сигнал, приходилось накапливать много повторных измерений, как будто слушать шёпот, прижав ухо к двери. Теперь достаточно одного короткого «взгляда».

Щепотка алмазной пыли, брошенная в стакан с жидкостью, работает как сотни крошечных магнитных компасов. Когда рядом появляются молекулы с неспаренными электронами (такие называют парамагнитными), стрелки этих компасов начинают дрожать. По дрожанию можно понять, что за молекула и сколько её.

Магнитное поле невидимо, но его можно заставить «светиться» с помощью крошечных дефектов в алмазе — азотно-вакансионных центров. Каждый такой дефект работает как миниатюрный компас, который сообщает, куда повёрнуто поле. Проблема в том, что этих компасов много, а считывать их все подряд — всё равно что переписывать вручную каждую букву в толстой книге.

Крошечный дефект в алмазе — так называемая NV-центр (азот-вакансионный центр, где атом азота соседствует с пустотой в углеродной решётке) — работает подобно микроскопическому уху, способному уловить магнитное «дыхание» сердца. Такие сенсоры функционируют при комнатной температуре и по размеру не превышают песчинку.

Обычные датчики сахара в крови полагаются на ферменты — белки, которые распознают глюкозу. Но ферменты капризны: они портятся от тепла, влаги и времени, как срезанные цветы вянут без воды. Здесь вместо ферментов работает неживой материал: оксид никеля, выращенный в виде крошечных цветов на листе графитовой бумаги.

Магнитное поле окружает нас повсюду: от компаса в телефоне до томографа в больнице. Чтобы измерить его с высокой точностью, нужны особые материалы, которые реагируют на малейшие изменения поля. Один из таких материалов — молекулярные кристаллы, в которых спины электронов (своеобразные «волчки») могут долго сохранять своё состояние.

В камере с алмазными наковальнями давление сжимает вещество так, будто его закопали на сотни километров вглубь Земли. Внутри этой камеры работают крошечные датчики из алмаза — центры окраски, которые отзываются на микроволны и рассказывают о магнитных полях и температуре вокруг.

Магнитное поле невидимо, но его можно заставить «светиться». Для этого берут крошечный алмаз с дефектами — местами, где атом углерода заменён азотом, а рядом пустует узел решётки. Такие дефекты, как чувствительные стрелки компаса, реагируют на малейшие изменения магнитного поля и испускают свет разной яркости.

Крохотный алмаз, уступающий размерами пылинке, удерживается в магнитной ловушке, созданной из микрочипов. Внутри его кристаллической решётки — одиночный дефект, действующий как квантовый маячок: он позволяет отслеживать состояние всей системы.

Дирижёр управляет оркестром из миллиардов музыкантов, но при этом слышит каждого отдельно. Примерно такую задачу решают физики, когда пытаются подружить свет и спины электронов в твёрдом теле. Новый резонатор, описанный в работе, делает первый шаг к этому: он заставляет огромное количество одинаковых квантовых объектов колебаться в такт, а затем аккуратно подслушивает их хор, не сбивая с ритма.

Крошечные дефекты в кристалле нитрида бора работают как сверхчувствительные магнитные датчики. Но их сигнал похож на радиоприёмник с расстроенной антенной: вместо чёткой ноты — широкий шумный диапазон. Обычный микроволновый импульс на одной частоте задевает лишь малую часть таких «радиостанций».

В тёмной комнате крошечный алмаз светится красным, когда на него попадает зелёный лазер. Этот свет — не украшение, а сигнал: яркость меняется, если рядом есть магнитное поле. В алмазе сидят дефекты — атомы азота с пустой соседней ячейкой. Они как чувствительные стрелки, которые поворачиваются под действием магнита.

Клетка не просто лежит на поверхности — она ощупывает её, тянет и толкает. До сих пор приборы ловили только прямые усилия: насколько сильно клетка давит или растягивает опору. Но если взять клетку за «плечи» и слегка повернуть, она ответит скручиванием — и этот поворот до недавнего времени никто не измерял. Учёные придумали микроскоп, который видит вращение.

Нагрейте обычные кварцевые часы на десять градусов — и они начнут убегать на секунды в сутки. Атомные часы точнее, но занимают целый шкаф. Алмаз с крошечным дефектом — азотной вакансией — обещает точность атомных часов в объёме песчинки. Одна беда: этот дефект очень чувствителен к теплу, как камертон, который меняет тон от температуры воздуха. В новой работе дефект заставили петь на два голоса сразу.

Каждая клетка — миниатюрный камертон. Резкий магнитный импульс заставляет её «звучать»: ядра водорода, входящие в состав клеточной воды, возбуждаются и, возвращаясь в равновесие, порождают слабый магнитный сигнал. Затухание этого «звука» зависит от свойств внутриклеточной среды — вязкости, плотности, молекулярного состава.

В 1930-х годах Фриц Цвики, наблюдая за скоплением Волос Вероники, обратил внимание на аномально высокие скорости галактик: их движение указывало на присутствие огромной скрытой массы, гравитационно связывающей систему.