Najciekawsze części natury to często niedoskonałości. Jest to szczególnie prawdziwe w fizyce kwantowej, świecie na poziomie atomowym, w którym drobne wady mogą mieć duży wpływ na zachowanie i interakcję cząstek.

Jak podano w artykule w Komunikacja naturyChong Zu, adiunkt fizyki na Uniwersytecie Waszyngtońskim w St. Louis i jego zespół znajdują nowe sposoby wykorzystania mocy kwantowej defektów w skądinąd nieskazitelnych kryształach.

Prace są częściowo wspierane przez Center for Quantum Leaps, inicjatywę sygnaturową planu strategicznego Arts & Sciences, którego celem jest zastosowanie spostrzeżeń i technologii kwantowych w fizyce, biomedycynie i naukach przyrodniczych, odkrywaniu leków i innych dalekosiężnych dziedzinach.

Laboratorium Zu przygląda się defektom atomowym azotku boru, materiału, który tworzy warstwy tak cienkie, że można je uznać za dwuwymiarowe. Azotek boru jest na ogół niezmienny i jednolity, ale od czasu do czasu brakujący atom boru pozostawia niewielką przestrzeń. Luki te mogą się zdarzyć naturalnie, ale Zu i jego zespół – w tym doktorant Ruotian (Reginald) Gong – przyspieszyli ten proces, bombardując mikroskopijne płatki materiału atomami helu, małymi pociskami atomowymi, które przypadkowo wybijają atomy boru.

Powstałe luki mają ważny potencjał kwantowy. Pustki naturalnie wypełniają się elektronami, które są bardzo wrażliwe na otoczenie. Na przykład niewielkie zmiany pola magnetycznego i temperatury mogą zmienić spin i stan energetyczny elektronów. Ta czułość czyni je potencjalnie użytecznymi jako czujniki kwantowe. W nowym badaniu Zu, Gong i współpracownicy po raz pierwszy wykazali, że elektrony reagują również na zmiany pól elektrycznych, poszerzając zakres potencjalnych zastosowań.

Ponieważ te konkretne czujniki są uwięzione w cienkiej, stabilnej matrycy z azotku boru, teoretycznie można je zastosować do szerokiej gamy substancji, od geologicznych po biologiczne. Inne typy czujników są zwykle tworzone w środowisku próżniowym, które musi zostać schłodzone do temperatury bliskiej zera bezwzględnego.

„Nigdy nie można położyć czegoś tak zimnego obok żywej komórki” – powiedział Zu. Czujniki wykonane z azotku boru mają jednak temperaturę pokojową.

Czujniki azotku boru mogą być również wykorzystywane w podstawowych eksperymentach symulacyjnych do badania interakcji kwantowych cząstek, powiedział Zu. Powiedział, że fizycy często używają programów komputerowych do przewidywania interakcji cząstek, ale systemy są tak złożone, że nawet komputery o największej mocy mogą działać tylko tak szybko.

„Zamiast próbować budować systemy na komputerze, możesz po prostu stworzyć dokładnie taki system, który chcesz badać, a następnie zbadać interakcje” – powiedział.