Robust gigahertz-range ac magnetometry with an ensemble of NV centers in diamond using concatenated continuous dynamical decoupling

تخيل أنك تحاول الاستماع إلى همس في غرفة مزدحمة حيث يصرخ الجميع بنبرات صوت مختلفة قليلاً. هذا هو التحدي الجوهري الذي يواجه العلماء الذين يستخدمون عيوباً ضئيلة داخل الألماس لاستشعار المجالات المغناطيسية. هذه العيوب، المعروفة باسم مراكز "نيتروجين-فجوة" (nitrogen-vacancy centers)، تعمل مثل بوصلات مجهرية يمكنها اكتشاف القوى المغناطيسية بدقة مذهلة. لعقود من الزمن، تعلم الباحثون كيفية استخدام عيوب فردية لقياس المجالات، ولكن لجعل الإشارة قوية بما يكفي للاستخدام العملي، يتعين عليهم النظر إلى مليارات من هذه العيوب في وقت واحد. المشكلة هي أنه عندما تجمع مثل هذا الحشد الهائل، لا يختبر أي اثنان من العيوب البيئة المغناطيسية أو إشارات التحكم بنفس الطريقة تماماً. فبعضها خارج النغمة قليلاً، وبعضها يشعر بدفعة أقوى من غيره. هذا النقص في التجانس يؤدي إلى جعل الإشارة الجماعية مشوشة وباهتة بشكل شبه فوري، مما يجعل من المستحيل اكتشاف أي شيء سوى أقوى الهمسات المغناطيسية.

لقد وجد فريق من الباحثين الآن طريقة لاختراق هذا الضجيج والاستماع إلى إشارات أخف بكثير مما كان يُعتقد سابقاً أنه ممكن. فباستخدام إيقاع محدد ومستمر من إشارات التحكم، تمكنوا من مزامنة سلوك مليارات من عيوب الماس هذه، على الرغم من أن جميعها كانت تتعرض للدفع والسحب بطرق مختلفة قلي_ت. تسمح هذه الطريقة الجديدة بقياس المجالات المغناطيسية التي تتذبذب مليارات المرات في الثانية، وهو نطاق بالغ الأهمية لفهم كيفية عمل الأجهزة الإلكترونية الحديثة. ويشير نجاحهم إلى أنه يمكننا بناء مستشعرات ليست حساسة للغاية فحسب، بل أيضاً قوية بما يكفي للعمل في ظروف العالم الحقيقي الفوضوية وغير المثالية.

عمل الباحثون مع مجموعة كبيرة من مراكز "نيتروجين-فجوة" داخل بلورة واحدة من الماس. ولجعل هذه العيوب مفيدة، قاموا أولاً بغمر الماس بضوء ليزر أخضر، مما يهيئ العيوب إلى حالة بداية معروفة. ثم طبقوا إشارات ميكروويف للتلاعب بالعيوب، آملين في جعلها تتفاعل مع مجال مغناطيسي مستهدف محدد. في النهج التقليدي، يقوم العلماء ببساطة بتطبيق نبضة ميكروويف ومراقبة استجابة العيوب. ومع ذلك، ولأن مجال الميكروويف ليس متجانساً تماماً عبر عينة الماس بأكملها، فإن العيوب تستجيب بسرعات مختلفة؛ فبعضها يدور بسرعة، والبعض الآخر ببطء، مما يؤدي إلى تلاشي الإشارة الجماعية قبل أن يمكن قياسها. هذا القصور يعني أن المستشعرات السابقة لم تكن قادرة إلا على اكتشاف المجالات المغناطيسية القوية نسبياً، مما أدى إلى تفويت التغيرات الطفيفة التي تحدث في العديد من التقنيات الحديثة.

ولحل هذه المشكلة، استخدم الفريق تقنية تسمى "إلغاء التماسك الديناميكي المتتالي المستمر" (concatenated continuous dynamical decoupling). فبدلاً من نبضة واحدة بسيطة، طبقوا مجالين ميكروويف مستمرين في نمط طبقي محدد. يعمل المجال الأول كمحرك قوي وثابت يجبر جميع العيوب على التحرك معاً، متجاهلاً بفعالية الاختلافات الصغيرة في حالات البداية الخاصة بها. ومع ذلك، فإن هذا المحرك الأول يسبب أخطاءً صغيرة خاصة به. ولإصلاح ذلك، طبق الباحثون مجال ميكروويف ثانٍ أضعف يعمل باستمرار على تصحيح الحركة التي أحدثها المجال الأول. هذا النهج ذو الطبقتين يخلق بيئة مستقرة حيث تظل العيوب متزامنة لفترة أطول بكثير، رغم العيوب في مجالات التحكم. الأمر يشبه قائد أوركسترا يقود أوركسترا ضخمة حيث كل موسيقي خارج النغمة قليلاً؛ يستخدم القائد إيقاعاً مستمراً محدداً للحفاظ على عزف الجميع في الوقت المحدد، مما يسمح للموسيقى بأن تظل واضحة حتى عندما لا يكون اللاعبون الأفراد مثاليين.

اختبر الفريق هذه الطريقة من خلال محاولة اكتشاف مجال مغناطيسي مستهدف يتذبذب بتردد يصل إلى حوالي 2.7 مليار مرة في الثانية. وقارنوا طريقتهم الجديدة بالتقنية القياسية المستخدمة في هذا المجال. عندما كانت الإشارة المستهدفة قوية، عملت كلتا الطريقتين بشكل جيد. ولكن عندما خفضوا قوة الإشارة إلى مستوى ضعيف جداً، فشلت الطريقة القياسية تماماً، حيث تلاشت الإشارة فوراً بسبب غياب التزامن. في المقابل، استمرت الطريقة الجديدة في اكتشاف الإشارة بوضوح. ووجد الباحثون أنه يمكنهم قياس المجالات المغناطيسية بسعة منخفضة تصل إلى 25.9 كيلوهرتز من حيث تردد تذبذبها، وهو عتبة لم يكن من الممكن الوصول إليها سابقاً مع مجموعات كبيرة من العيوب. ويمثل هذا توسعاً كبيراً في نطاق الإشارات القابلة للكشف، مما يدفع حدود ما يمكن لهذه المستشعرات رؤيته.

تم قياس حساسية هذا النهج الجديد لتكون 956 بيكوتيسلا لكل جذر هرتز. ورغم أن هذا الرقم تقني، إلا أنه يشير إلى أن المستشعر يمكنه اكتشاف مجالات مغنية ضعيفة للغاية، أضعف بكثير من المجال المغناطيسي للأرض. وأشار الباحثون إلى أن التحسن يكون أكثر دراماتيكية عندما تكون الإشارة المستهدفة ضعيفة ومجالات التحكم غير مثالية، وهو بالضبط ما يحدث في العديد من التطبيقات الواقعية. وقد لاحظوا أن الإشارة لم تختفِ بالسرعة التي كانت عليها في الطريقة القديمة، مما سمح لهم بجمع البيانات لفترة أطول وتأكيد وجود المجال الضعيف بثقة عالية. وتعد هذه المتانة أمراً أساسياً، إذ تعني أن المستشعر يمكنه العمل بموثوقية حتى عندما لا تكون المعدات معايرة بدقة أو عندما تكون البيئة صاخبة.

لا يكتفي هذا العمل بتحسين الأرقام فحسب، بل يغير كيفية مقاربة العلماء لمشكلة الاستشعار باستخدام مجموعات كبيرة من الجسيمات الكمومية. ومن خلال إثبات أن التحكم المستمر والطبقي يمكن أن يتغلب على الفوضى المتأصلة في المجموعات الكبيرة، فتح الباحثون مساراً لقياسات أكثر حساسية في نطاق الغيغاهرتز. وهذا النطاق الترددي مهم بشكل خاص لتوصيف أجهزة الميكروويف واكتشاف موجات السبين (spin waves)، وهي ضرورية لتطوير إلكترونيات أسرع وأكثر كفاءة. وتشير الدراسة إلى أنه مع استراتيجية التحكم الصحيحة، يمكن تجاوز القيود التي تفرضها الأجهزة غير المثالية إلى حد كبير، مما يسمح باستغلال الإمكانات الكاملة لهذه المستشعرات القائمة على الماس. وتوفر النتائج دليلاً عملياً لبناء مستشعرات أفضل يمكنها العمل في الظروف المعقدة وغير المثالية للأجهزة الفعلية، بدلاً من مجرد العمل في المختبرات المثالية.

كما سلط الباحثون الضوء على أن طريقتهم متوافقة مع التقنيات المستخدمة حالياً لقياس المجالات المغناطيسية، مما يعني أنه يمكن دمجها في الإعدادات التجريبية الحالية دون الحاجة إلى تغيير شامل للمعدات. وأشاروا إلى أنه بينما استخدمت تجربتهم المحددة عينة ماس ذات كثافة عالية من العيوب، فإن المبادئ التي أثبتوها يمكن أن تنطبق على أنواع أخرى من مستشعرات الحالة الصلبة أيضاً. إن القدرة على اكتشاف إشارات أضعف في ظل وجود ضجيج وعيوب قوية تشير إلى أن المستشعرات المستقبلية يمكن أن تصبح أصغر حجماً وأكثر قابلية للنقل، مما ينقل الاستشعار المغناطيسي عالي الدقة من المختبر إلى الميدان. ويعد هذا العمل برهاناً على أنه من خلال فهم وفهم التعامل مع العيوب الطبيعية للنظام، بدلاً من محاولة القضاء عليها، يمكن للعلماء تحقيق نتائج كانت تُعتبر في السابق مستحيلة.