Nanophotonic quantum magnetometry in a spin-dense diamond cavity

تخيل عالماً يمكننا فيه رؤية الهمسات المغناطيسية غير المرئية لخلية واحدة، أو رسم خريطة للتيارات الكهربائية الضئيلة التي تتدفق عبر عصبون، كل ذلك دون لمس الهدف. هذا هو الوعد الذي يقدمه الاستشعار الكمي، وهو مجال يستخدم القواعد الغريبة والهشة لعالم الكم لبناء كواشف أكثر حساسية بكثير مما نملكه اليوم. وفي قلب هذه الثورة تكمن عيوب صغيرة في الألماس، تُعرف باسم مراكز "نيتروجين-فراغ" (nitrogen-vacancy centers). فكر في هذه العيوب كقطع مفقودة في الشبكة الذرية للألماس استقطبت إلكتروناً إضافياً، مما حول تلك البقعة إلى مقياس مغناطيسية مجهري يمكنه الشعور بالمجالات المغناطيسية بدقة مذهلة. تعمل هذه المستشعرات حتى في درجة حرارة الغرفة، وهو إنجاز نادر للأجهزة الكمية، ويمكن جعلها صغيرة جداً لدرجة أنها قد تقيس نظرياً المجال المغناطيسي لجزيء واحد. ومع ذلك، كانت هناك مشكلة طويلة الأمد أعاقت تقدمها: للحصول على إشارة قوية بما يكفي للقياس، يحتاج العلماء عادةً إلى النظر إلى مجموعة كبيرة من هذه العيوب، لكن النظر إلى مجموعة كبيرة يؤدي إلى طمس الصورة، مما يجعل من المستحيل رؤية التفاصيل الدقيقة. وعلى العكس من ذلك، فإن النظر إلى عيب واحد فقط يعطي صورة حادة ولكن بإشارة ضعيفة جداً.

لقد وجد فريق من الباحثين في جامعة كالغاري طريقة لكسر هذه المقايضة. فقد بنوا نوعاً جديداً من المستشعرات يجمع بين حدة المستشعر الصغير وقوة المجموعة الكبيرة. لقد أخذوا شريحة من الألماس محشوة بكثافة عالية من مراكز "نيتروجين-فراغ"، ونحتوها على شكل قرص مجهري لا يتجاوز عرضه عرض شعرة الإنسان. يعمل هذا القرص مثل "رواق الهمس" للضوء، حيث يحبس الفوتونات في دائرة تجعلها ترتد مرات عديدة قبل أن تخرج. ومن خلال تقريب ليف ضوئي مستدق ونحيف من حافة هذا القرص، تمكنوا من تسليط الضوء داخله وجمع الضوء الخارج منه دون استخدام عدسات أو مرايا ضخمة. سمح هذا الإعداد باستثارة آلاف عيوب الألماس في وقت واحد مع الحفاظ على مساحة استشعار صغيرة للغاية. وكانت النتيجة جهازاً يتميز بحساسية عالية وقدرة على رؤية التفاصيل بمقياس الميكرومتر، وكل ذلك باستخدام كمية ضئيلة من ضوء الليزر والاتصال بالعالم الخارجي عبر ليف ضوئي واحد.

اختبر الباحثون هذه المنصة الجديدة عبر قياس المجالات المغناطيسية باستخدام تقنية تسمى "قياس المغناطيسية بطريقة رامزي" (Ramsey magnetometry)، والتي تتضمن استخدام نبضات دقيقة من الضوء والموجات الميكروية لقراءة حالة إلكترونات الألماس. ووجدوا أن جهازهم يمكنه اكتشاف المجالات المغناطيسية بحساسية قدرها 58 نانو تسلا لكل جذر هرتز. وهذا هو أدق قياس تم تسجيله على الإطلاق لمقياس مغناطيسية مبني على شريحة باستخدام تقنيات التصنيع النانوي. ولوضع هذا في المنظور، فبينما لا تزال الحساسية غير كافية بعد لاكتشاف أضعف الهمسات المغناطيسية لذرة واحدة، إلا أنها تمثل قفزة هائلة لجهاز بهذا الصغر والتكامل. وأظهر الفريق أن الجهاز محدود فقط بالضوضاء الأساسية لجسيمات الضوء نفسها، مما يعني أنه يعمل بأفضل ما تسمح به الفيزياء للتصميم الحالي. كما أثبتوا أن عيوب الألماس داخل القرص الصغير يمكنها الحفاظ على حالتها الكمية لفترة طويلة بشكل مفاجئ، حتى بعد عملية نحت القرص القاسية، مما يشير إلى أن الجهاز قوي بما يكفي للاستخدام في العالم الحقيقي.

إن ما يجعل هذا الإنجاز مهماً بشكل خاص هو كيفية حله لمشكلة التوسع. فالمحاولات السابقة لجعل هذه المستشعرات صغيرة غالباً ما تطلبت معدات بصرية معقدة قائمة بذاتها، كان من الصعب استخدامها أو دمجها في أنظمة أخرى. أما هذا التصميم الجديد، الذي يستخدم ليفاً ضوئياً للتواصل مع المستشعر، فيفتح الباب لإنشاء مصفوفات من هذه الأجهزة على شريحة واحدة. تخيل مستقبلاً حيث يمكن لشريحة مغطاة بمئات من هذه المستشعرات أن ترسم خرائط للمجالات المغناطيسية لعينة بيولوجية تتدفق عبر قناة ضيقة، أو حيث يمكن لجهاز مدمج أن يصور الأنماط المغناطيسية على شريحة كمبيوتر بتفاصيل غير مسبوقة. وقد لاحظ الباحثون أن الجهاز متين ميكانيكياً ويمكنه الصمود عند غسله بالسوائل، مما يجعله مناسباً لدراسة الخلايا الحية أو السوائل. ورغم أن النسخة الحالية لا تزال بحاجة إلى تحسين في كيفية جمع الضوء بكفاءة، إلا أن الطريق نحو المستقبل واضح؛ فمن خلال تحسين طريقة ربط الضوء بالألماس واستخدام مواد ألماس أكثر نقاءً، يمكن رفع الحساسية بمقدار مائة ضعف، مما يقربنا من القدرة على إجراء مطيافية الرنين المغناطيسي النووي لعينات أصغر من قطرة ماء.

كشفت الدراسة أيضاً أن عملية صنع هذه الأقراص الصغيرة لم تسبب ضرراً لخصائص الألماس الكمية الدقيقة كما كان يُخشى. فمن خلال قياس المدة التي استمرت فيها الحالات الكمية، أكد الفريق أن عملية التصنيع لم تسبب سوى قدر ضئيل جداً من الإجهاد في المادة. وهذا أمر بالغ الأهمية لأن الإجهاد يمكن أن يدمر قدرة المستشعر على القياس بدقة. ووجدوا أن العيوب داخل القرص تتصرف تماماً كما لو كانت في قطعة كبيرة غير مقطوعة من الألماس، مما يثبت أن تقنيات التصنيع النانوي متوافقة مع الاستشعار الكمي عالي الدقة. استخدم الفريق تقنية "تضخيم القفل" (lock-in amplification) لتصفية الضوضاء الخلفية، مما سمح لهم باستخراج إشارة واضحة حتى في البيئات الصاخبة. وتؤدي هذه الطريقة، جنباً إلى جنب مع القدرة على استخدام ليزر منخفض الطاقة، إلى جعل المستشعر يعمل دون تسخين أو إتلاف العينات الدقيقة التي من المفترض أن يدرسها.

وبالنظر إلى المستقبل، يرى الباحثون مستقبلاً لا تكون فيه هذه المستشعرات مجرد فضول مختبري، بل أدوات عملية لعلوم الأحياء والمواد. ولأن المستشعر صغير جداً ويمكن وضعه بالقرب من العينة، يمكن استخدامه لقياس المجالات المغرناطيسية الناتجة عن أنسجة القلب أو الأنسجة العصبية بدقة مستحيلة حالياً. إن القدرة على دمج هذه المستشعرات مع مكونات ضوئية أخرى على الشريحة تعني أنه يمكن إنتاجها بكميات كبيرة واستخدامها في أجهزة محمولة. وتخلص الورقة البحثية إلى أن هذه المنصة تمثل خطوة رئيسية نحو الجيل القادم من الاستشعار الكمي، حيث توفر مزيجاً من الحجم والحساسية وإمكانات التكامل التي لم يسبق لها مثيل. ومن خلال إثياء أن تجويف ألماس مرتبط بليف ضوئي ومبني على شريحة يمكنه تحقيق مثل هذه الحساسية العالية، قدم الفريق مخططاً لفئة جديدة من الأدوات التي يمكن أن تغير طريقة مراقبتنا للعالم المغناطيسي من حولنا.