क्वांटम सेंसर किसी भी आवृत्ति के विद्युत चुम्बकीय संकेतों का पता लगा सकता है

जून 23, 2022

(नैनोवेर्क समाचार) क्वांटम सेंसर, जो चुंबकीय या विद्युत क्षेत्रों में सबसे अधिक मिनट की भिन्नता का पता लगाते हैं, ने सामग्री विज्ञान और मौलिक भौतिकी में सटीक मापन को सक्षम किया है। लेकिन ये सेंसर इन क्षेत्रों की कुछ विशिष्ट आवृत्तियों का पता लगाने में सक्षम हैं, उनकी उपयोगिता को सीमित करते हुए। अब, एमआईटी के शोधकर्ताओं ने ऐसे सेंसर को किसी भी मनमानी आवृत्ति का पता लगाने में सक्षम बनाने के लिए एक विधि विकसित की है, जिसमें नैनोमीटर-स्केल सुविधाओं को मापने की उनकी क्षमता का कोई नुकसान नहीं है।

नई विधि, जिसके लिए टीम पहले ही पेटेंट संरक्षण के लिए आवेदन कर चुकी है, जर्नल में वर्णित है शारीरिक समीक्षा X (“क्वांटम मिक्सर का उपयोग करके मनमानी-आवृत्ति फ़ील्ड्स का सेंसिंग”), स्नातक छात्र गुओकिंग वांग, परमाणु विज्ञान और इंजीनियरिंग के प्रोफेसर और भौतिकी पाओला कैपेलारो, और एमआईटी और लिंकन प्रयोगशाला में चार अन्य लोगों द्वारा एक पेपर में। क्वांटम सेंसर एमआईटी शोधकर्ताओं ने क्वांटम सेंसर को किसी भी मनमानी आवृत्ति का पता लगाने में सक्षम करने के लिए एक विधि विकसित की है, जिसमें नैनोमीटर-स्केल सुविधाओं को मापने की उनकी क्षमता का कोई नुकसान नहीं है। क्वांटम सेंसर चुंबकीय या विद्युत क्षेत्रों में सबसे अधिक मिनट की भिन्नता का पता लगाते हैं, लेकिन अब तक वे केवल कुछ विशिष्ट आवृत्तियों का पता लगाने में सक्षम हैं, उनकी उपयोगिता को सीमित करते हुए। (छवि: गुओकिंग वांग)

क्वांटम सेंसर कई रूप ले सकते हैं; वे अनिवार्य रूप से ऐसी प्रणालियाँ हैं जिनमें कुछ कण इतनी नाजुक रूप से संतुलित अवस्था में होते हैं कि वे उन क्षेत्रों में भी छोटे बदलावों से प्रभावित होते हैं जिनके संपर्क में वे आते हैं। ये तटस्थ परमाणुओं, फंसे हुए आयनों और ठोस-अवस्था वाले स्पिन का रूप ले सकते हैं, और ऐसे सेंसर का उपयोग करने वाले अनुसंधान में तेजी से वृद्धि हुई है। उदाहरण के लिए, भौतिक विज्ञानी उनका उपयोग पदार्थ की विदेशी अवस्थाओं की जांच करने के लिए करते हैं, जिसमें तथाकथित समय क्रिस्टल और टोपोलॉजिकल चरण शामिल हैं, जबकि अन्य शोधकर्ता उनका उपयोग प्रायोगिक क्वांटम मेमोरी या गणना उपकरणों जैसे व्यावहारिक उपकरणों को चिह्नित करने के लिए करते हैं। लेकिन ब्याज की कई अन्य घटनाएं आज के क्वांटम सेंसर की तुलना में बहुत व्यापक आवृत्ति रेंज का पता लगा सकती हैं।

टीम द्वारा तैयार की गई नई प्रणाली, जिसे वे क्वांटम मिक्सर कहते हैं, माइक्रोवेव के बीम का उपयोग करके डिटेक्टर में दूसरी आवृत्ति को इंजेक्ट करती है। यह अध्ययन किए जा रहे क्षेत्र की आवृत्ति को एक अलग आवृत्ति में परिवर्तित करता है – मूल आवृत्ति और जोड़े गए सिग्नल के बीच का अंतर – जो उस विशिष्ट आवृत्ति के लिए ट्यून किया जाता है जिसके लिए डिटेक्टर सबसे अधिक संवेदनशील होता है। यह सरल प्रक्रिया डिटेक्टर को किसी भी वांछित आवृत्ति पर घर में रखने में सक्षम बनाती है, सेंसर के नैनोस्केल स्थानिक संकल्प में कोई हानि नहीं होती है।

अपने प्रयोगों में, टीम ने हीरे में नाइट्रोजन-रिक्ति केंद्रों की एक सरणी के आधार पर एक विशिष्ट उपकरण का उपयोग किया, जो व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली क्वांटम सेंसिंग प्रणाली है, और आवृत्ति के साथ एक qubit डिटेक्टर का उपयोग करके 150 मेगाहर्ट्ज की आवृत्ति के साथ सिग्नल का सफलतापूर्वक पता लगाने का प्रदर्शन किया। 2.2 गीगाहर्ट्ज़ – एक ऐसा पता लगाना जो क्वांटम मल्टीप्लेक्सर के बिना असंभव होगा। फिर उन्होंने फ्लोक्वेट सिद्धांत के आधार पर सैद्धांतिक ढांचे को प्राप्त करके और प्रयोगों की एक श्रृंखला में उस सिद्धांत की संख्यात्मक भविष्यवाणियों का परीक्षण करके प्रक्रिया का विस्तृत विश्लेषण किया।

जबकि उनके परीक्षणों ने इस विशिष्ट प्रणाली का उपयोग किया, वांग कहते हैं, “उसी सिद्धांत को किसी भी प्रकार के सेंसर या क्वांटम उपकरणों पर भी लागू किया जा सकता है।” सिस्टम स्व-निहित होगा, डिटेक्टर और दूसरी आवृत्ति के स्रोत के साथ सभी एक ही डिवाइस में पैक किए जाएंगे।

वांग का कहना है कि इस प्रणाली का इस्तेमाल किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, माइक्रोवेव एंटीना के प्रदर्शन को विस्तार से चित्रित करने के लिए। “यह क्षेत्र के वितरण को चिह्नित कर सकता है” [generated by the antenna] नैनोस्केल रिज़ॉल्यूशन के साथ, इसलिए यह उस दिशा में बहुत आशाजनक है, ”वे कहते हैं।

कुछ क्वांटम सेंसर की आवृत्ति संवेदनशीलता को बदलने के अन्य तरीके हैं, लेकिन इनके लिए बड़े उपकरणों और मजबूत चुंबकीय क्षेत्रों के उपयोग की आवश्यकता होती है जो बारीक विवरणों को धुंधला कर देते हैं और नई प्रणाली द्वारा प्रदान किए जाने वाले उच्च रिज़ॉल्यूशन को प्राप्त करना असंभव बनाते हैं। ऐसी प्रणालियों में आज, वांग कहते हैं, “आपको सेंसर को ट्यून करने के लिए एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करने की आवश्यकता है, लेकिन वह चुंबकीय क्षेत्र संभावित रूप से क्वांटम भौतिक गुणों को तोड़ सकता है, जो उस घटना को प्रभावित कर सकता है जिसे आप मापना चाहते हैं।”

कैपेलारो के अनुसार, सिस्टम बायोमेडिकल क्षेत्रों में नए अनुप्रयोगों को खोल सकता है, क्योंकि यह एकल कोशिका के स्तर पर विद्युत या चुंबकीय गतिविधि की आवृत्तियों की एक श्रृंखला को सुलभ बना सकता है। वह कहती हैं कि मौजूदा क्वांटम सेंसिंग सिस्टम का उपयोग करके ऐसे संकेतों का उपयोगी समाधान प्राप्त करना बहुत मुश्किल होगा। कुछ उत्तेजनाओं के जवाब में एकल न्यूरॉन से आउटपुट सिग्नल का पता लगाने के लिए इस प्रणाली का उपयोग करना संभव हो सकता है, उदाहरण के लिए, जिसमें आम तौर पर शोर का एक बड़ा सौदा शामिल होता है, जिससे ऐसे संकेतों को अलग करना मुश्किल हो जाता है।

इस प्रणाली का उपयोग विदेशी सामग्रियों जैसे कि 2डी सामग्रियों के व्यवहार को विस्तार से वर्णित करने के लिए भी किया जा सकता है, जिनका उनके विद्युत चुम्बकीय, ऑप्टिकल और भौतिक गुणों के लिए गहन अध्ययन किया जा रहा है।

चल रहे काम में, टीम वर्तमान प्रणाली के एकल आवृत्ति लक्ष्यीकरण के बजाय, एक बार में आवृत्तियों की एक श्रृंखला की जांच करने में सक्षम होने के लिए सिस्टम का विस्तार करने के तरीकों को खोजने की संभावना तलाश रही है। वे लिंकन प्रयोगशाला में अधिक शक्तिशाली क्वांटम सेंसिंग उपकरणों का उपयोग करके सिस्टम की क्षमताओं को परिभाषित करना जारी रखेंगे, जहां अनुसंधान दल के कुछ सदस्य आधारित हैं।

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