Aan de Universiteit Hasselt ontwikkelen fysici quantumsensors op basis van ultrazuivere diamant.
Daarmee meten ze zeer kleine elektrische en magnetische velden, net als minuscule variaties in temperatuur, druk en beweging. Die informatie is onontbeerlijk voor de sensors, medische toestellen en computers van morgen.
Waarom nemen de onderzoekers voor hun metingen hun toevlucht tot diamant? Vooreerst omdat het gesteente door zijn hoge hardheid zeer geschikt is voor boorkoppen. Maar ook omdat het een uitstekend materiaal is om componenten af te schermen. Dat diamant duur is, is geen onoverkomelijk bezwaar: de onderzoekers gebruiken zeer kleine stukjes.
Quantumbits
In de zuivere diamant bouwen de fysici een artificiële onzuiverheid die bestaat uit een of enkele atomen, ook weleens kleurcentra genoemd. Die onzuiverheid wordt de zogeheten sensorkern, waarmee de variaties in een elektrisch of magnetisch veld worden gemeten. Hoe zuiverder de edelsteen zelf, hoe gevoeliger de sensor binnenin.
De fysici kunnen individuele kleurcentra inbouwen. Daarvoor vervangen ze bijvoorbeeld twee naburige koolstofatomen (diamant bestaat uit niets anders) door een stikstofatoom en een lege plaats in het kristalrooster van de steen. Op die manier vormen ze een magnetische dipool, die zich op zijn beurt gedraagt als een qubit, het quantumfysische equivalent van de klassieke bit.
‘De elektronspin van de dipool kan elke waarde tussen nul en een aannemen, afhankelijk van het magnetische en elektrische veld in de omgeving’, zegt Milos Nesladek, fysicus aan de Universiteit Hasselt en partner van het Europese Asteriqs-quantumtechnologieproject. ‘Omdat de individuele qubits atomen zijn, reageren ze zeer snel op de kleinste variaties in het veld waarin ze zich bevinden. Ze meten minstens duizend keer nauwkeuriger dan klassieke sensors. Bovendien functioneren ze onafhankelijk van de temperatuur, waardoor je ze voor meerdere toepassingen kan gebruiken.’ Daarnaast is de qubit gevoelig voor variaties in temperatuur, druk en beweging, waardoor ze die eveneens kan registreren.
Diamant in je auto
Een voorbeeld van de toepassingen die binnen het Asteriqs-project worden ontwikkeld, is een ultraprecieze spectrometer. Dat is een apparaat waarmee chemici de structuur van organische moleculen in kaart brengen. Andere toepassingen zijn sensoren die het stroomverbruik van batterijen in elektrische auto’s bijhouden, verbeterde versies van een lab-on-a-chip, waarmee artsen ziektes in hun vroegste fase kunnen opsporen, en ultrasnelle apparatuur voor (draadloze) communicatie.
Nesladek en zijn collega’s van Imo-Imomec, het deelinstituut voor materiaalonderzoek van de UHasselt en het Leuvense onderzoekscentrum Imec, hebben een technologie ontwikkeld om ingesloten qubits in diamant elektronisch uit te lezen, waardoor ze die ook bij kamertemperatuur kunnen gebruiken. Dat is een pak makkelijker dan werken met de huidige elektro- en magneetsensors, die je tot net boven het absolute nulpunt moet koelen.
