Rapid and highly sensitive wide-field quantum microwave imaging via pixel-wise digital lock-in detection

تتقلص الإلكترونيات الحديثة وتتسارع، مما يدفع دوائر الترددات الراديوية والميكروويف للعمل عند ترددات ومستويات طاقة كانت في السابق تفوق الخيال. ومع ازدياد تعقيد هذه الأجهزة الصغيرة، يواجه المهندسون تحديًا حاسمًا: كيف يمكنهم رؤية ما يحدث داخلها دون لمسها أو إتلافها. غالبًا ما تعجز الأدوات التقليدية عن توفير صورة واضحة للمجالات المغناطيسية التي تحرك هذه الدوائر، خاصة عندما تكون تلك المجالات ضعيفة أو مخفية تحت طبقات من الضجيج. ولحل هذه المعضلة، لجأ العلماء إلى خاصية فريدة في الألماس؛ فداخل الماس، تعمل عيوب محددة تسمى "مراكز نيتروجين-فراغ" (nitrogen-vacancy centers) كمستشعرات مغناطيسية حساسة للغاية. هذه ليست العيوب التي تجعل الأحجار الكريمة أقل قيمة، بل هي عيوب على المستوى الذري حيث تقع ذرة نيتروجين بجانب ذرة كربون مفقودة. وعندما تُضرب هذه العيوب بليزر أخضر، فإنها تتوهج بضوء أحمر، وتتغير شدة هذا التوهج بناءً على قوة المجال المغناطيسي المحيط بها. وهذا يسمح للباحثين برسم خرائط للمجالات المغناطيسية بدقة متناهية، ولكن لسنوات طويلة، كانت هذه العملية بطيئة بشكل مؤلم؛ إذ غالبًا ما تكون الإشارة باهتة جدًا بحيث تضيع في الضجيج الخلفي لليزر والكاميرا، مما يضطر العلماء إلى التقاط آلاف الصور ودمجها معًا، وهي عملية قد تستغرق ساعات وتجعل من المستحيل مراقبة الإشارات الإلكترونية سريعة الحركة في الوقت الفعلي.

لقد طور فريق من الباحثين في معهد بكين للتكنولوجيا الآن طريقة لكسر حاجز السرعة هذا، حيث أنشأوا نظامًا يمكنه تصوير مجالات الميكروويف المغناطيسية عبر مساحة واسة في غضون ثوانٍ معدودة. وبدلاً من محاولة متوسط الضجيج على فترة زمنية طويلة، قدموا تقنية تعمل بمثابة مرشح انتقائي للغاية، يستمع فقط إلى الإيقاع المحدد للإشارة التي يبحثون عنها. وقد حققوا ذلك من خلال هز تردد إشارة الميكروويف التي يرسلونها إلى الجهاز المراد اختباره بشكل طفيف. هذه الهزة، أو "التعديل" (modulation)، تجعل الضوء الأحمر المنبعث من مستشعرات الماس ينبض بتزامن تام مع تردد الميكروويف. ثم استخدم الباحثون برنامجًا رقميًا مخصصًا لفحص بث الفيديو من كاميراتهم بكسل تلو الآخر، بحثًا عن ذلك الإيقاع النابض المحدد فقط. ومن خلال تجاهل كل ما لا يتطابق مع هذا الإيقام — مثل التقلبات العشوائية في الليزر أو الضوضاء الإلكترونية — استطاعوا استخراج الإشارة الحقيقية من وسط الفوضى بشكل فوري تقريبًا. هذه الطريقة، المعروفة باسم "كشف القفل الرقمي" (digital lock-in detection)، سمحت لهم بالتقاط صور واضحة للمجالات المغناطيسية بحساسية بلغت 126 نانو تسلا لكل جذر تربيعي هرتز، وهو مستوى من الدقة لم يكن من الممكن بلوغه بهذه السرعات العالية سابقًا.

إن نتائج هذا النهج الجديد مذهلة. فقد أثبت الفريق أن نظامهم يمكنه إنتاج صورة كاملة عالية الدقة لتوزيع مجال الميكروويف في غضون ثوانٍ، وهو تحسن هائل مقارنة بالدقائق أو الساعات التي كانت تتطلبها الطرق السابقة. وقد اختبروا ذلك على خطوط "الميكروستريب" (microstrip lines)، وهي مسارات نحاسية دقيقة تُستخدم لتوجيه إشارات الميكروويف في لوحات الدوائر. في إحدى التجارب، قاموا بتغذية إشارة مباشرة في الخط وشاهدوا خريطة المجال المغناطيسي وهي تظهر على شاشتهم. وفي تجربة أخرى، استخدموا هوائي بوقي (horn antenna) لبث موجات ميكروويف على دائرة سلبية، مما أظهر أن النظام يمكن أن يعمل حتى بدون اتصال كهربائي مباشر. وكشفت الصور عن المجال المغناطيسي بدقة مكانية بلغت 1.6 ميكرومتر، وهي دقة كافية لرؤية تفاصيل أصغر من شعرة الإنسان. ولإثبات موثوقية قياساتهم، قارن الباحثون صورهم التجريبية مع محاكاة حاسوبية لنفس الدوائر، وتطابقت النتائج مع المحاكاة بشكل شبه مثالي، مما أكد أن التقنية الجديدة ليست سريعة فحسب، بل دقيقة أيضًا.

وبعيدًا عن مجرد رسم خرائط المجالات، أظهر الفريق كيف يمكن استخدام هذه السرعة والحساسية في اكتشاف الأعطل في الإلكترونيات الواقعية. فقد أخذوا مفتاح تردد راديوي تجاري وألحقوا ضررًا متعمدًا بجزء من دوائره عن طريق خدش السطح لإنشاء قطع. وعندما صوروا الجهاز، أظهرت الأجزاء السليمة من الدائرة إشارة مغناطيسية واضحة، بينما ظهرت المنطقة المتضررة مظلمة تمامًا، مما يشير إلى انقطاع المسار المغناطيسي. إن هذه القدرة على التصوير الفوري لمكان تدفق الإشارة وأين تتوقف توفر أداة قوية لتشخيص المشكلات في الإلكترونيات المتقدمة. كما استكشف الباحثون حدود نظامهم من خلال اختباره عند ترددات مختلفة، مما أظهر قدرته على اكتشاف المجالات عند 2.73 جيجاهرتز و3.0 جيجاهرتز، مما يثبت تنوعه عبر مجموعة من ظروف التشغيل. ومن خلال الجمع بين الحساسية الطبيعية لمستشعرات الماس وتقنية الترشيح الرقمي الذكية، يفتح هذا العمل الباب لمراقبة القوى المغناطيسية غير المرئية داخل أسرع إلكترونياتنا أثناء حدوثها، محولاً عملية ثابتة وبطيئة إلى عرض ديناميكي وسريع للدوائر الخفية في العالم الحديث.