15 سپتامبر 2025، عکس از نویسنده: نیتیکا والتر-یک تصویر شماتیک، یک حسگر دوبعدی را نشان می‌دهد که بین دو سندان الماس فشرده شده است.چونگ زو/دانشگاه واشنگتن
دنیای فیزیک کوانتومی مرموز است. اما وقتی آن قلمرو ذرات زیر اتمی تحت فشار بسیار زیاد قرار می‌گیرد، چه اتفاقی می‌افتد؟
تیمی به رهبری فیزیکدانان دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس، حسگرهای کوانتومی ایجاد کرده‌اند که می‌توانند در شرایط سخت دوام بیاورند.این دستگاه‌ها که درون صفحات نشکن نیترید بور متبلور ساخته شده‌اند، می‌توانند تنش و مغناطیس را در موادی که تحت فشاری بیش از 30000 برابر بیشتر از جو هستند، اندازه‌گیری کنند.
چونگ زو، استادیار فیزیک در هنر و علوم و عضو مرکز جهش‌های کوانتومی دانشگاه، گفت: «ما اولین کسانی هستیم که این نوع حسگر فشار بالا را توسعه داده‌ایم. این می‌تواند طیف گسترده‌ای از کاربردها را در زمینه‌هایی از فناوری کوانتومی، علوم مواد گرفته تا نجوم و زمین‌شناسی داشته باشد.»
این کار شامل دانشجویان تحصیلات تکمیلی، محققان فوق دکترا و اعضای هیئت علمی همکار بود.بخشی از حمایت مالی از کمک هزینه آموزشی بنیاد ملی علوم ایالات متحده حاصل شد که شش ماه کار مشترک در دانشگاه هاروارد را تأمین مالی کرد.
این تیم حسگرها را با استفاده از پرتوهای تابش نوترونی ایجاد کرد. این پرتوها اتم‌های بور را از صفحات بسیار نازک نیترید بور بیرون کشیدند. نقاط خالی بلافاصله الکترون‌ها را به دام انداختند.آن الکترون‌ها، از طریق تعاملات کوانتومی، بسته به مغناطیس محلی، تنش یا دما، اسپین خود را تغییر دادند. ردیابی اسپین، خواص مواد را در سطح کوانتومی آشکار کرد.
گروه زو پیش از این حسگرهای مشابهی را در الماس ساخته بود که دو میکروسکوپ الماس کوانتومی دانشگاه واشنگتن را تغذیه می‌کنند.حسگرهای الماس مؤثر هستند اما محدودیت‌هایی دارند. از آنجا که الماس‌ها سه‌بعدی هستند، حسگرها را نمی‌توان به راحتی نزدیک ماده مورد مطالعه قرار داد.
ورقه‌های نیترید بور این مشکل را حل می‌کنند. آنها بسیار نازک هستند، کمتر از ۱۰۰ نانومتر عرض دارند، حدود ۱۰۰۰ برابر نازک‌تر از موی انسان.
زو گفت: “از آنجا که حسگرها در ماده‌ای هستند که اساساً دو بعدی است، کمتر از یک نانومتر بین حسگر و ماده‌ای که اندازه‌گیری می‌کند فاصله وجود دارد.”
الماس‌ها همچنان نقش خود را ایفا می‌کنند. دانشجوی کارشناسی ارشد، گوانگ‌هی، توضیح داد: “برای اندازه‌گیری مواد تحت فشار بالا، باید مواد را روی سکویی قرار دهیم که نشکند.”
این گروه “سندهای الماس”، سطوح صاف کوچکی با عرض تنها ۴۰۰ میکرومتر، برای فشرده‌سازی نمونه‌ها ساختند. او گفت: «ساده‌ترین راه برای ایجاد فشار بالا، اعمال نیروی زیاد بر روی یک سطح کوچک است.»
آزمایش‌ها تأیید کردند که حسگرهای نیترید بور می‌توانند تغییرات ظریف در میدان مغناطیسی یک آهنربای دوبعدی را تشخیص دهند.
این تیم اکنون قصد دارد مواد دیگری، از جمله سنگ‌های محیط‌های پرفشار مانند هسته زمین را آزمایش کند.
زو گفت: «اندازه‌گیری نحوه واکنش این سنگ‌ها به فشار می‌تواند به ما در درک بهتر زلزله‌ها و سایر رویدادهای بزرگ کمک کند.»
این حسگرها همچنین ممکن است در مورد ابررسانایی اطلاعات بیشتری ارائه دهند. ابررساناهای شناخته شده به فشار بالا و دمای بسیار پایین نیاز دارند. ادعاهای بحث‌برانگیز در مورد ابررساناهای دمای اتاق همچنان بی‌پاسخ مانده است.
روتیان «رجینالد» گونگ، دانشجوی کارشناسی ارشد و یکی از نویسندگان اول این مقاله، گفت: «با این نوع حسگر، می‌توانیم داده‌های لازم را برای پایان دادن به بحث جمع‌آوری کنیم.»
زو گفت که این پروژه همچنین اهمیت همکاری را برجسته می‌کند. او گفت: «این برنامه همکاری بین دانشگاه‌ها را تشویق می‌کند. اکنون که این حسگرها، محفظه فشار بالا و سندان‌های الماس را داریم، فرصت‌های بیشتری برای اکتشاف خواهیم داشت.»
یافته‌ها را می‌توان در مجله Nature Communications مشاهده کرد.
