Πώς τα διαμάντια υπόσχονται μια νέα κβαντική επανάσταση

Τα διαμάντια εκτιμώνται για την ομορφιά και την ανθεκτικότητά τους, αλλά τώρα, αναδύονται ως βασικό υλικό σε ένα νέο κύμα κβαντικών τεχνολογιών που θα μπορούσαν να μεταμορφώσουν την τηλεπισκόπηση, την ιατρική, την πλοήγηση και την ασφάλεια.

Εισάγοντας σκόπιμα μικροσκοπικές ατέλειες στις κατά τα άλλα άψογες κρυσταλλικές δομές των διαμαντιών, οι επιστήμονες αξιοποιούν τις κβαντικές τους ιδιότητες για να δημιουργήσουν εξαιρετικά ευαίσθητους αισθητήρες ικανούς να ανιχνεύουν μικροσκοπικές μαγνητικές και ηλεκτρομαγνητικές αλλαγές. Αυτή η εξέλιξη τοποθετεί τα διαμάντια στο επίκεντρο αυτού που οι ερευνητές αποκαλούν «δεύτερη κβαντική επανάσταση», σύμφωνα με τους Financial Times.

Η πρώτη κβαντική επανάσταση, η οποία εκτυλίχθηκε κατά τη διάρκεια του 20ού αιώνα, περιελάμβανε την κατανόηση της κβαντομηχανικής και την εφαρμογή της σε τεχνολογίες όπως οι ημιαγωγοί, τα λέιζερ και οι υπεραγωγοί. Η δεύτερη επανάσταση προχωρά περαιτέρω, επιτρέποντας τον ακριβή έλεγχο των κβαντικών καταστάσεων, ξεκλειδώνοντας νέες δυνατότητες στην πληροφορική, την κρυπτογράφηση, τον χρονισμό και την ανίχνευση.

Ενώ οι κβαντικοί υπολογιστές γενικής χρήσης παραμένουν αρκετά μακριά, οι κβαντικοί αισθητήρες ήδη πλησιάζουν την πρακτική, πραγματική χρήση, καθιστώντας τους ένα από τα πρώτα εμπορικά αποτελέσματα αυτής της νέας εποχής.

Τα διαμάντια και τα πλεονεκτήματα στην κβαντική ανίχνευση

Τα διαμάντια είναι μοναδικά κατάλληλα για την κβαντική ανίχνευση λόγω των φυσικών και ατομικών τους ιδιοτήτων. Το άκαμπτο πλέγμα ατόμων άνθρακα τα καθιστά ανθεκτικά στις δονήσεις, ενώ οι περισσότεροι πυρήνες άνθρακα είναι μαγνητικά «ήσυχοι», δημιουργώντας ένα ασυνήθιστα σταθερό περιβάλλον για ευαίσθητα κβαντικά φαινόμενα. Αυτή η σταθερότητα επιτρέπει σε ορισμένες κβαντικές καταστάσεις να διατηρούνται ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου, ένα σημαντικό πλεονέκτημα έναντι πολλών άλλων κβαντικών συστημάτων που απαιτούν ακραία ψύξη ή απομόνωση.

 Οι πωλήσεις κοσμημάτων με φυσικά διαμάντια έχουν μειωθεί απότομα από την πανδημία Covid-19, εν μέρει λόγω του ανταγωνισμού από φθηνά συνθετικά πετράδια

Το βασικό χαρακτηριστικό που επιτρέπει αυτές τις εφαρμογές είναι το κέντρο κενού αζώτου (NV). Αυτό δημιουργείται όταν ένα άτομο άνθρακα στο πλέγμα του διαμαντιού αντικαθίσταται από ένα άτομο αζώτου και μια γειτονική θέση μένει κενή. Σε αυτό το σημείο, τα ηλεκτρόνια εμφανίζουν μια κβαντική ιδιότητα γνωστή ως «σπιν», η οποία αλλάζει ως απόκριση σε μικροσκοπικές διακυμάνσεις στα μαγνητικά ή ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Το spin (ιδιοστροφορμή) είναι μια θεμελιώδης, εγγενής κβαντομηχανική ιδιότητα των σωματιδίων (ηλεκτρόνια, πρωτόνια), που αντιστοιχεί σε στροφορμή, χωρίς ωστόσο να πρόκειται για φυσική περιστροφή.

Αυτές οι αλλαγές μπορούν να ανιχνευθούν επειδή μεταβάλλουν την ένταση του φωτός που εκπέμπεται από το κέντρο NV. Ως αποτέλεσμα, τα κβαντικά διαμάντια μπορούν να λειτουργήσουν σαν υπερευαίσθητες πυξίδες, ικανές να ανιχνεύουν εξαιρετικά μικρά σήματα — ακόμη και να ανιχνεύουν τη μαγνητική διαταραχή που προκαλείται από ένα αυτοκίνητο που οδηγεί εκατοντάδες μέτρα μακριά.

Το ενδιαφέρον για τα κβαντικά φαινόμενα που βασίζονται στα διαμάντια πυροδοτήθηκε πριν από περίπου 20 χρόνια από την ανακάλυψη ενός ασυνήθιστου φυσικού ροζ διαμαντιού, το οποίο μπορούσε να διατηρήσει κβαντικές καταστάσεις σε θερμοκρασία δωματίου. Όταν δεν βρέθηκαν άλλες παρόμοιες πέτρες, οι ερευνητές στράφηκαν σε διαμάντια που καλλιεργήθηκαν σε εργαστήριο, αναπτύσσοντας τεχνικές για την αξιόπιστη κατασκευή κέντρων NV προσθέτοντας άζωτο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανάπτυξης.

Σήμερα, εταιρείες όπως η Element Six, ένας βιομηχανικός παραγωγός διαμαντιών που ανήκει σε μεγάλο βαθμό στην De Beers, βρίσκονται στην πρώτη γραμμή αυτού του τομέα, σημειώνουν οι FT.

Για τη βιομηχανία διαμαντιών, αυτή η τεχνολογική στροφή έρχεται σε μια κρίσιμη στιγμή. Οι πωλήσεις κοσμημάτων με φυσικά διαμάντια έχουν μειωθεί απότομα από την πανδημία Covid-19, εν μέρει λόγω του ανταγωνισμού από φθηνά συνθετικά πετράδια.

Ο κρύσταλλος των διαμαντιών αποτελείται από επαναλαμβανόμενες μονάδες των 18 ατόμων που διατάσσονται σε κυβικό σχήμα

Τα τεχνητά διαμάντια δίνουν λύσεις

Σε απάντηση, οι εταιρείες επικεντρώνονται όλο και περισσότερο σε «διαμάντια τεχνολογίας» που χρησιμοποιούνται στην κβαντική ανίχνευση, τα λέιζερ και τους ημιαγωγούς. Αν και τα κβαντικά διαμάντια παρήχθησαν για πρώτη φορά πριν από περισσότερα από 15 χρόνια, οι πρόσφατες εξελίξεις τα έχουν καταστήσει φθηνότερα, πιο αξιόπιστα και πιο εύκολα στην ενσωμάτωση σε ηλεκτρονικά συστήματα, με τους μεμονωμένους αισθητήρες να κοστίζουν πλέον μόνο μερικές χιλιάδες δολάρια.

Οι κβαντικοί αισθητήρες θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν τα παραδοσιακά ηλεκτροκαρδιογραφήματα

Ενώ τα διαμάντια δεν είναι ιδανικά για κβαντικούς υπολογισμούς μεγάλης κλίμακας (εν μέρει επειδή είναι δύσκολο να ενσωματωθούν με ηλεκτρονικά πυριτίου) είναι εξαιρετικά κατάλληλα για εφαρμογές ανίχνευσης. Η ανθεκτικότητα, η σταθερότητα και η ικανότητά τους να λειτουργούν υπό κανονικές συνθήκες τα καθιστούν ελκυστικά για κλιμακούμενες, πραγματικές συσκευές. Άλλα υλικά, όπως το γραφένιο και τα συστήματα με βάση το πυρίτιο, μπορούν επίσης να παράγουν κβαντικά φαινόμενα, αλλά η ανθεκτικότητα των διαμαντιών τους δίνει ένα σημαντικό πλεονέκτημα.

Οι πιθανές εφαρμογές για κβαντικούς αισθητήρες διαμαντιών είναι ευρείες. Στην αεροπορία, θα μπορούσαν να επιτρέψουν τη δημιουργία συστημάτων πλοήγησης που βασίζονται στο μαγνητικό πεδίο της Γης αντί για δορυφόρους GPS, οι οποίοι είναι ευάλωτοι σε παρεμβολές ή αλλοίωση. Στη γεωλογία, θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν ανεπαίσθητες μαγνητικές αλλαγές που αποκαλύπτουν υπόγεια κοιτάσματα ορυκτών. Μακροπρόθεσμα, οι ερευνητές οραματίζονται διεπαφές εγκεφάλου-υπολογιστή χρησιμοποιώντας μικροσκοπικούς αισθητήρες διαμαντιών ικανούς να διαβάζουν νευρικά σήματα, αναφέρουν οι FT.

Η ιατρική θεωρείται μια από τις πιο πολλά υποσχόμενες πρώιμες αγορές. Οι κβαντικοί αισθητήρες θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν τα παραδοσιακά ηλεκτροκαρδιογραφήματα μετρώντας την καρδιακή δραστηριότητα χωρίς άμεση επαφή. Ακόμα πιο εντυπωσιακό είναι ότι τα νανοδιαμάντια θα μπορούσαν να φέρουν επανάσταση στην ανίχνευση ασθενειών. Μελέτες δείχνουν ότι οι δοκιμές που βασίζονται σε διαμάντια μπορούν να είναι έως και 1.000 φορές πιο ευαίσθητες από τις τρέχουσες γρήγορες δοκιμές αντιγόνου, επιτρέποντας πολύ πιο πρώιμη διάγνωση ιογενών λοιμώξεων όπως η Covid-19 ή ο HIV.

Ερευνητικοί κόμβοι και νεοσύστατες επιχειρήσεις σε όλη την Ευρώπη, την Αυστραλία και αλλού αγωνίζονται να διερευνήσουν αυτές τις δυνατότητες. Αν και παραμένει ασαφές ποια εφαρμογή θα προσφέρει την πρώτη μεγάλη εμπορική ανακάλυψη, η δυναμική αυξάνεται ραγδαία. Καθώς οι επιστήμονες βελτιώνουν την τεχνολογία και μειώνουν το κόστος, τα διαμάντια μπορεί σύντομα να διαδραματίσουν έναν ρόλο πολύ διαφορετικό από τα κοσμήματα — διαμορφώνοντας ένα μέλλον όπου η πραγματική τους αξία έγκειται στην ανίχνευση, τα δεδομένα και την κβαντική ακρίβεια και όχι μόνο στη λάμψη.

Πηγή: OT.gr