Lämpötilamittauksia spinillä

Typpivakanssi on vika timantin atomirakenteessa, jossa yksi timantin hiiliatomi on korvautunut typpiatomilla jolloin viereinen paikka jää auki ja sen ympärille jää vapaita elektroneja.

Tällaisen vikakohdan ympärillä olevien elektronien spinien lomittuminen on monen tutkijaporukan mielenkiinnon kohteena, tavoitteena kun on tehdä siitä kvanttitietokoneen perusyksikkö eli kubitti.

Tutkimukset ovat kuitenkin tuottaneet monia muitakin mielenkiintoisia löytöjä.

Viime vuosina vikakohtien spinit ovat nousseet myös lupaavaksi ehdokkaaksi nanomittakaavan magneetti- ja sähkökenttien aistijaksi huoneenlämmössä.

Äskettäin UC Santa Barbaran tutkijaryhmä onnistui kehittämään protokollia, joilla hallita vikakohdan kvanttitilaa valolla huoneen lämpötilassa elektroniikan tai mikroaaltojen sijasta.

Tutkimusryhmän Chigacon yliopiston tutkijat kehittivät aiheesta edelleen lämpömittarin, joka perustuen spinistä riippuvaan fotoluminenssiin timantin typpivakanssikeskuksessa.

Tutkimusryhmän vetäjä David Awschalom näkee nyt mahdollisuuden kehittää kvanttifysiikkaan perustuvan monitoimisen anturin. "Samalla anturilla voisi mitata magneetti- ja sähkökenttiä ja nyt myös lämpötilaa, kaikki samalla anturilla samassa paikassa suunnilleen samaan aikaan", toteaa Awschalom.

Lämpötilan mittaus fluoresenssin avulla on jo vakiintunut tekniikka millimetrien skaalassa mutta nyt päästäisiin nanomittoihin. Tällaisen atomitason rakenteen voisi sisällyttää timantin nanohiukkaseen, jolloin sitä voisi käyttää lämpömittarina esimerkiksi elävissä soluissa tai mikrofluidistiikan piireissä.

Kokeissaan tutkijat selvittivät, että hiukkasen spin voi toimia lämpömittarina laajalla lämpötila-alueella, huoneen lämpötilasta aina 500 Kelviniin (noin 21-227 astetta Celsiusta), resoluution ollessa 0,1 Kelviniä.