สัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นปัญหาใหญ่สำหรับการสื่อสาร กระตุ้นให้ผู้ให้บริการเครือข่ายไร้สายลงทุนอย่างมากในเทคโนโลยีเพื่อเอาชนะมัน

Nathalie de Leon รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์แห่งมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันกล่าวว่า”เสียงมักถูกมองว่าเป็นสิ่งที่ก่อความรำคาญ แต่นักฟิสิกส์สามารถเรียนรู้ได้หลายอย่างด้วยการศึกษาเสียง ” “โดยการวัดเสียงรบกวนในวัสดุ พวกเขาสามารถเรียนรู้องค์ประกอบของมัน อุณหภูมิ การไหลของอิเล็กตรอนและปฏิกิริยาระหว่างกัน และวิธีการหมุนเพื่อสร้างแม่เหล็ก โดยทั่วไปเป็นเรื่องยากที่จะวัดอะไรเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของเสียงในอวกาศหรือ เวลา.”

• บทความอื่น ๆ : raintonbridge.com

ทีมนักวิจัยจาก Princeton และ University of Wisconsin-Madison ได้ใช้เพชรที่ออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อพัฒนาเทคนิคในการวัดสัญญาณรบกวนในวัสดุโดยการศึกษาความสัมพันธ์ และสามารถใช้ข้อมูลนี้เพื่อเรียนรู้โครงสร้างเชิงพื้นที่และธรรมชาติที่แปรผันตามกาลเวลาของเพชร เสียงรบกวน. เทคนิคนี้อาศัยการติดตามความผันผวนเล็กน้อยในสนามแม่เหล็ก ซึ่งแสดงถึงการปรับปรุงที่เหนือกว่าวิธีการก่อนหน้านี้ที่ใช้ค่าเฉลี่ยของการวัดแบบแยกส่วนจำนวนมาก

De Leon เป็นผู้นำในการผลิตและการใช้โครงสร้างเพชรที่มีการควบคุมสูงซึ่งเรียกว่าศูนย์ไนโตรเจน (NV) ศูนย์ NV เหล่านี้เป็นการดัดแปลงโครงตาข่ายของอะตอมคาร์บอนของเพชร ซึ่งคาร์บอนถูกแทนที่ด้วยอะตอมของไนโตรเจน และที่อยู่ติดกันเป็นพื้นที่ว่างหรือตำแหน่งว่างในโครงสร้างโมเลกุล เพชรที่มีศูนย์กลาง NV เป็นหนึ่งในเครื่องมือไม่กี่ชนิดที่สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กในระดับและความเร็วที่จำเป็นสำหรับการทดลองที่สำคัญในเทคโนโลยีควอนตัมและฟิสิกส์ของสสารควบแน่น

ในขณะที่ศูนย์ NV เพียงแห่งเดียวทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถอ่านค่าสนามแม่เหล็กได้อย่างละเอียด แต่เมื่อทีมของ de Leon คิดหาวิธีควบคุมศูนย์ NV หลายแห่งพร้อมๆ กัน พวกเขาจึงสามารถวัดโครงสร้างเชิงพื้นที่ของสัญญาณรบกวนในวัสดุได้ นี่เป็นการเปิดประตูสู่การทำความเข้าใจคุณสมบัติของวัสดุที่มีพฤติกรรมควอนตัมที่แปลกประหลาด ซึ่งจนถึงขณะนี้ได้รับการวิเคราะห์ในทางทฤษฎีเท่านั้น เดอ ลีออง ผู้เขียนอาวุโสของบทความที่อธิบายถึงเทคนิคที่เผยแพร่ทางออนไลน์เมื่อวันที่ 22 ธันวาคมในวารสารScienceกล่าว

“มันเป็นเทคนิคพื้นฐานใหม่” เดอ ลีอองกล่าว “เป็นที่ชัดเจนจากมุมมองทางทฤษฎีว่ามันมีพลังมากที่จะทำสิ่งนี้ได้ ผู้ชมที่ฉันคิดว่าตื่นเต้นที่สุดเกี่ยวกับงานนี้คือนักทฤษฎีสสารควบแน่น ซึ่งตอนนี้มีปรากฏการณ์ทั้งโลกที่พวกเขาอาจทำได้ ลักษณะในลักษณะที่แตกต่างกัน ”

หนึ่งในปรากฏการณ์เหล่านี้คือของเหลวควอนตัมสปิน ซึ่งเป็นวัสดุที่มีการสำรวจทางทฤษฎีเป็นครั้งแรกเมื่อเกือบ 50 ปีที่แล้ว ซึ่งเป็นเรื่องยากที่จะระบุลักษณะเฉพาะในการทดลอง ในของเหลวควอนตัมสปิน อิเล็กตรอนจะอยู่ในฟลักซ์ตลอดเวลา ตรงกันข้ามกับความเสถียรในสถานะของแข็งที่เป็นลักษณะของวัสดุแม่เหล็กทั่วไปเมื่อเย็นลงจนถึงอุณหภูมิหนึ่ง

“สิ่งที่ท้าทายเกี่ยวกับควอนตัมสปินของเหลวคือตามคำนิยามแล้ว ไม่มีการเรียงลำดับแม่เหล็กแบบคงที่ ดังนั้นคุณจึงไม่สามารถแมปสนามแม่เหล็ก ได้ ” แบบที่คุณทำกับวัสดุประเภทอื่น เดอ ลีอองกล่าว “จนถึงขณะนี้ยังไม่มีวิธีใดที่จะวัด ค่าสหสัมพันธ์ของ สนามแม่เหล็ก สองจุดได้โดยตรง และสิ่งที่ผู้คนทำแทนคือพยายามหาตัวแทนที่ซับซ้อนสำหรับการวัดนั้น”

ด้วยการวัดสนามแม่เหล็กที่จุดต่างๆ พร้อมกันด้วยเซ็นเซอร์เพชร นักวิจัยสามารถตรวจจับว่าอิเล็กตรอนและสปินของพวกมันเคลื่อนที่ผ่านอวกาศและเวลาในวัสดุได้อย่างไร ในการพัฒนาวิธีการใหม่นี้ ทีมงานใช้พัลส์เลเซอร์ ที่ปรับเทียบแล้ว กับเพชรที่มีจุดศูนย์กลาง NV จากนั้นตรวจพบจำนวนโฟตอนที่พุ่งสูงขึ้น 2 จุดจากจุดศูนย์กลาง NV คู่หนึ่ง ซึ่งเป็นการอ่านค่าการหมุนของอิเล็กตรอนที่จุดศูนย์กลางแต่ละจุดในเวลาเดียวกัน เทคนิคก่อนหน้านี้จะใช้ค่าเฉลี่ยของการวัดเหล่านี้ ละทิ้งข้อมูลที่มีค่า และทำให้ไม่สามารถแยกแยะสัญญาณรบกวนภายในของเพชรและสภาพแวดล้อมจากสัญญาณสนามแม่เหล็กที่เกิดจากวัสดุที่สนใจได้

Shimon Kolkowitz ผู้ร่วมวิจัยด้านฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยวิสคอนซินกล่าวว่า “หนึ่งในสองหนามแหลมนี้เป็นสัญญาณที่เรากำลังนำไปใช้ อีกอันหนึ่งเป็นหนามแหลมจากสภาพแวดล้อมในท้องถิ่น และไม่มีทางที่จะบอกความแตกต่างได้” – เมดิสัน “แต่เมื่อเราดูที่ความสัมพันธ์ ความสัมพันธ์ที่สัมพันธ์กันนั้นมาจากสัญญาณที่เราใช้ และอีกความสัมพันธ์ไม่ใช่ และเราสามารถวัดสิ่งนั้นได้ ซึ่งเป็นสิ่งที่คนทั่วไปไม่เคยวัดได้มาก่อน”

Kolkowitz และ de Leon พบกันในฐานะปริญญาเอก นักศึกษาที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดและติดต่อกันบ่อยครั้งตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา ความร่วมมือด้านการวิจัยของพวกเขาเกิดขึ้นในช่วงต้นของการระบาดใหญ่ของ COVID-19 เมื่อการวิจัยในห้องปฏิบัติการชะลอตัว แต่การทำงานร่วมกันทางไกลมีความน่าสนใจมากขึ้นเนื่องจากการโต้ตอบส่วนใหญ่เกิดขึ้นผ่าน Zoom เดอลีอองกล่าว

Jared Rovny ผู้เขียนนำการศึกษาและผู้ร่วมวิจัยหลังปริญญาเอกในกลุ่มของ de Leon เป็นผู้นำทั้งทางทฤษฎีและการทดลองเกี่ยวกับวิธีการใหม่ การมีส่วนร่วมของ Kolkowitz และทีมของเขามีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการออกแบบการทดลองและการทำความเข้าใจข้อมูล de Leon กล่าว ผู้เขียนร่วมยังรวมถึง Ahmed Abdalla และ Laura Futamura ซึ่งทำการวิจัยภาคฤดูร้อนกับทีมของ de Leon ในปี 2021 และ 2022 ตามลำดับ โดยเป็นผู้ฝึกงานในโครงการ Quantum Undergraduate Research ที่ IBM และ Princeton (QURIP) ซึ่ง de Leon เป็นผู้ร่วมก่อตั้งในปี 2019

บทความเรื่อง “เครื่องวัดค่าความแปรปรวนร่วมระดับนาโนด้วยเซ็นเซอร์ควอนตัมเพชร” เผยแพร่ทางออนไลน์เมื่อวันที่ 22 ธันวาคม ในหัวข้อ Science