ارائه دهنده :  آقای پویان مینایی  (ورودی ۹۸ دکترای فیزیک)

از فناوری‌های کوانتومی می‌توان به رایانش کوانتومی، مخابرات‌کوانتومی ، شبیه‌سازی‌‌کوانتومی و حسگری‌کوانتومی اشاره کرد. از میان آن‌ها حسگری‌کوانتومی نزدیک ترین فناوری به بازار و محصول است. همچنین پیشرفت در این فناوری ، مسیر را برای دستیابی به دیگرفناوری‌های کوانتومی هموارتر می‌سازد.

سامانه های کوانتومی در برابر اختلال های بیرونی بسیار حساس هستند ، در حسگری کوانتومی از این ویژگی، بهره گرفته می‌شود. به همین دلیل اندازه گیری کمیت ها در مقیاس هایی فراهم می‌شود که تا کنون ممکن نبوده است و استاندارد های جدیدی در فیزیک دقت تعریف می‌شود.

درحسگری کوانتومی از سامانه های کوانتومی مختلفی استفاده می‌شود که اتم های خنثی ، اتم‌های ریدبرگ، یون های به دام افتاده، مدار های ابر رسانا مثال هایی از آن سامانه‌ها هستند. در این جا به طور خاص سامانه نیتروژن‌تهی‌جا (Nitrogen-vacancy) در الماس مورد بررسی قرار می‌گیرد .ساختار بلوری نیتروژن تهی جا در الماس به صورت شبکه منظم الماس است با این تفاوت که دو اتم کربن این شبکه خارج شده است و یک اتم نیتروژن به جای یکی از این کربن ها در شبکه بلوری قرار گرفته است.

ساختار اتمی نیتروژن‌تهی‌جا الماس

اگر یک جفت کنار هم شامل یک اتم نیتروژن و جای خالی یک اتم کربن در میان دیگر اتم های کریستال ایجاد می‌شود تراز‌های اتمی میان نوار های انرژی الماس (نوار رسانش و نوار ظرفیت) به وجود می آید. در این حالت ۶ تراز انرژی اتمی و دو نوار انرژی در طیف سنجی، مشخص می‌شود.

ساختار انرژی نیتروژن‌تهی‌جا

در حالت پایه ، الکترون ها در تراز اسپینیقرار می‌گیرند. حال اگر به بلور ، نور سبز بتابانیم الکترون ها برانگیخته شده و  در نوار رسانش قرار می‌گیرند . حین برگشتن به حالت پایه ، الکترون ها ابتدا به سطح انرژی برانگیخته‌ی اتمی می‌رسند و نهایتا دوباره به حالت پایه برمی‌گردند، در طی بازگشت از حالت برانگیخته اتمی به حالت پایه ، یک فوتون قرمز خارج می‌شود.

تابش نور سبز به نیتروژن‌تهی‌جا و بازتاب نور قرمز

حال  یک موج ماکرو(macro wave) با یک طول موج خاص وجود دارد که اگر آن را به بلور نیتروژن‌تهی‌جا الماس بتابانیم و سپس نور سبز بتابانیم ، الکترون های برانگیخته می‌شوند.اما این بار هنگام بازگشت به حالت پایه ، دو مسیر متفاوت را می‌توانند طی کنند . یک مسیر مشابه حالت قبل است که نور قرمز ساطع می‌شود ، و دیگری حالتی است که الکترون ابتدا در یک سطح انرژی شبه پایدار قرار می‌گیرد و بعد از آن به حالت پایه بازمی‌گردد که در این حالت موج قرمز ساطع نمی‌شود . پس با تابش این موج ماکرو خاص ، شدت نور قرمز خروجی کم می‌شود .

همچنین از پدیده زیمن می‌دانیم ، در صورت وجود میدان مغناطیسی خارجی سطوح انرژی اسپینی از یکدیگر فاصله می‌گیرند . در این حالت دو موج ماکرو با طول موج ویژه وجود دارد که موجب کم شدن شدت نور قرمز خروجی می‌شوند.

با آزمایش، این طول موج ها را در میدان های مغناطیسی مختلفی که اندازه آن ها مشخص است تعیین می‌کنند. پس از آن اگر بلور نیتروژن‌تهی‌جا در میدان‌های مغناطیسی نامعلوم قرار گیرد ، می‌توان با بدست آوردن طول موج های کاهنده نور قرمز، اندازه میدان مغناطیسی را تعیین کرد. پس ، از این طریق می‌توان از نیتروژن‌تهی‌جا به عنوان حسگر مغناطیسی استفاده کرد .

از ویژگی های مثبت نیتروژن‌تهی‌جا می‌توان به غیر سمیت ، عدم نیاز به شرایط خاص، تجهیزات جانبی نسبتا ساده ، پایداری بسیار بالای شیمیایی، حساسیت به کمیت های مختلف (میدان مغناطیسی ، میدان الکتریکی ، دما و فشار ) و امکان به‌کارگیری در چینش ها و مقیاس های مختلف ، اشاره کرد .

نیتروژن تهی‌جا الماس کاربرد های بسیار متنوعی دارد . از جمله : تصویر برداری مغناطیسی از magnetotactic bacteria ، تصویر برداری وسیع میدان مغناطیسی زیست‌نشانگرها، تصویر برداری در تشخیص پزشکی، قلب نگاری مغناطیسی(MagnetoCardiography)، تشدید مغناطیسی هسته ای ، علوم اعصاب ، نقشه اسپینی پروتون و الکترون در مقیاس نانومتر ، تصویربرداری ابر تفکیکی مغناطو اپتیکی ، مطالعه اتم‌های پروتئین ها و…

سلسله جلسات چای و فیزیک ۱۴ آذر ۱۳۹۹