Исследователи Калифорнийского университета в Беркли демонстрируют новую технологию 3D-печати для квантовых датчиков

Как отмечается в пресс-релизе университета, исследователи из Беркли разработали новый метод изготовления квантовых сенсорных частиц, позволяющий создавать сложные трехмерные элементы, с помощью которых можно точно определять изменения температуры и магнитных полей в микроскопических средах.

Информацию о своем исследовании разработчики метода представили в журнале Nano Letters. Ученые использовали методы аддитивного производства для создания настраиваемых 3D-структур, в которых могут размещаться крошечные алмазы, содержащие квантовые чувствительные элементы. Отмечается, что эти печатаемые квантовые датчики позволяют проводить измерения при комнатной температуре, что может открыть путь к трансформационным приложениям в материаловедении, биологии и химии.

Сегодня квантовые датчики используются в одних из самых точных часов на Земле, которые поддерживают системы GPS, и существует большой интерес к применению этих датчиков в других областях, включая нейробиологию. Для измерения мельчайших изменений магнитных и электрических полей, деформации и температуры они используют свойства атомов и света.

Однако, по словам главного соисследователя Костаса Григоропулоса, вывести квантовые датчики за пределы лабораторных условий довольно сложно: "Многие платформы для квантового зондирования требуют чрезвычайно низких температур - сотен градусов ниже нуля - для того, чтобы функционировать правильно. Кроме того, эти материалы часто должны быть очень чистыми и идеально кристаллическими, что может препятствовать их использованию во многих практических приложениях".

Для решения этой проблемы исследователи использовали методы аддитивного производства, чтобы структурировать т.н. центры азотно-замещенных вакансий - ключевые элементы квантовых сенсоров - в трехмерные структуры.

Азотно-замещенной вакансией в алмазе или NV-центром (от nitrogen-vacancy center) называется точечный дефект кристаллической решетки, в которой один атом углерода замещен на атом азота, а соседний атом углерода отсутствует (это место называется вакансия). Подобные дефекты обладают оригинальными физическими свойствами, связанными со спинами и зарядами электронов, и могут реагировать на минимальные воздействия света, магнитных и электрических полей, т.е. выступать в качестве датчиков. Также эти центры уникальны тем, что они хорошо работают при комнатной температуре и сохраняют свои квантовые свойства даже в виде частиц.

"Наша работа демонстрирует потенциал интеграции квантовых датчиков с передовыми технологиями аддитивного производства, которые позволяют нам создавать новые конструкции, которые иначе невозможны, - сказал Брайан Бланкеншип, соавтор исследования и аспирант кафедры машиностроения университета. - Через несколько лет эта технология может быть использована для встраивания датчиков в микрофлюидику, электронику и биологические системы, а также откроет новые возможности для широкого применения квантовых датчиков в других областях, о которых мы еще даже не задумывались".

"Эта методика дает нам возможность впечатывать чувствительные элементы в существующие микрофлюидные чипы, поверх современных полупроводниковых устройств и даже клеточных подложек, обеспечивая при этом расширенную диагностику этих систем, - сказал он. - И хотя наша работа посвящена измерению температуры и магнитного поля, мы считаем, что ее можно распространить и на другие типы измерений".