Впечатление художника от сверхчувствительного устройства обнаружения вращения. Кредит: Тони Мелов

«Спин электрона — направлен ли он вверх или вниз — является фундаментальным свойством природы», — говорит проф. Пла. «Он используется в магнитных жестких дисках для хранения информации, аппараты МРТ используют спины молекул воды для создания изображений внутренней части нашего тела, а спины даже используются для создания квантовых компьютеров.

«Поэтому возможность обнаруживать спины внутри материалов важна для целого ряда приложений, особенно в химии и биологии, где ее можно использовать для понимания структуры и назначения материалов, что позволяет нам разрабатывать более эффективные химические вещества, лекарства и так далее."

В таких областях исследований, как химия, биология, физика и медицина, инструмент, который используется для измерения спинов, называется спектрометром спинового резонанса. Обычно промышленным спектрометрам требуется от миллиардов до триллионов вращений, чтобы получить точные показания, но A/Prof. Пла и его коллеги смогли измерить спины электронов порядка тысячи, а это означает, что новый инструмент был примерно в миллион раз более чувствительным.

Это настоящий подвиг, поскольку существует целый ряд систем, которые невозможно измерить с помощью коммерческих инструментов, таких как микроскопические образцы, двумерные материалы и высококачественные солнечные элементы, у которых просто слишком мало спинов для создания измеримого сигнала.

Прорыв произошел почти случайно, когда команда разрабатывала элемент квантовой памяти для сверхпроводящего квантового компьютера. Задачей элемента памяти была передача квантовой информации от сверхпроводящей электрической цепи ансамблю спинов, расположенному под схемой.

«Мы заметили, что хотя устройство не совсем работает как элемент памяти, как планировалось, оно очень хорошо измеряет спиновой ансамбль», — говорит Уятт Вайн, ведущий автор исследования. «Мы обнаружили, что, посылая микроволновую энергию в устройство, когда спины испускают свои сигналы, мы можем усиливать сигналы до того, как они покинут устройство. Более того, это усиление может быть выполнено с очень небольшим добавленным шумом, почти достигая предела, установленного квантовой схемой. механика».

В то время как другие высокочувствительные спектрометры, использующие сверхпроводящие схемы, были разработаны в прошлом, они требовали нескольких компонентов, были несовместимы с магнитными полями и должны были работать в очень холодных условиях с использованием дорогих «холодильников разбавления», которые достигают температуры до 0,01 Кельвина.

В этой новой разработке A/Prof. Пла говорит, что ему и его команде удалось интегрировать компоненты в один чип.

«Наша новая технология объединяет несколько важных частей спектрометра в одном устройстве и совместима с относительно большими магнитными полями. Это важно, так как для измерения спинов их нужно поместить в поле около 0,5 Тесла, что в десять тысяч раз сильнее, чем магнитное поле Земли.

«Кроме того, наше устройство работало при температуре более чем в 10 раз выше, чем в предыдущих демонстрациях, а это означает, что нам не нужно использовать холодильник для растворения».

А/проф. Пла говорит, что команда UNSW запатентовала технологию с целью коммерциализации, но подчеркивает, что еще многое предстоит сделать.

«Есть возможность упаковать эту штуку и коммерциализировать ее, что позволит другим исследователям подключить ее к своим существующим коммерческим системам, чтобы повысить чувствительность.

«Если бы эта новая технология была должным образом разработана, она могла бы помочь химикам, биологам и медицинским исследователям, которые в настоящее время полагаются на инструменты, созданные этими крупными технологическими компаниями, которые работают, но могут делать что-то на порядки лучше».