Projekti / Programi
Visokoločljiva optična magnetometrija s hladnimi cezijevimi atomi
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.15.01 |
Tehnika |
Meroslovje |
Senzorji in zajemanje podatkov |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P180 |
Naravoslovno-matematične vede |
Meroslovje, fizikalna instrumentacija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.02 |
Tehniške in tehnološke vede |
Elektrotehnika, elektronika in informacijski inženiring |
magnetometrija, kvantne tehnologije, hladni atomi, optična detekcija, magnetna resonanca
Raziskovalci (14)
Organizacije (2)
Povzetek
V zadnjem času je prišlo do razvoja ogromno novih in izpopolnjevanju mnogih starih metod in principov na področju metrologije. Končni cilj je razviti senzorje, ki s svojo občutljivostjo, velikostjo, pasovno širino, prostorsko ločljivostjo in ostalimi lastnostmi segajo do samih teoretičnih omejitev. Za obetavne naslednike zdajšnje generacije senzorjev veljajo kvantne naprave. Naslednja kvantna revolucija ponuja na videz neskončne možnosti razvoja v raziskavah in industriji, kar je tudi povod za ambiciozno iniciativo Evropske komisije za razvoj kvantnih tehnologij (flagship).
Plini alkalijskih kovin se že nekaj časa uporabljajo v atomskih magnetometrih na vroče pare za natančno merjenje magnetnih polj in so na mnogih področjih že popolnoma konkurenčni SQUID-u (npr. kot detektorji signala pri NQR in NMR, v raziskavah na področju fizike in metrologije). V primerjavi s SQUID-om so atomski magnetometri na vroče pare bolj občutljivi in ker ne potrebujejo kriogenskega hlajenja tudi kompaktnejši in cenejši za uporabo. Poleg tega jih ni treba umeriti. Z zamenjavo toplih atomov za hladne bi lahko dobili ultimativni senzor magnetnega polja. Podoben razvoj poteka na področju merjenja časa, kjer so ure s hladnimi atomi za nekaj velikostnih redov bolj stabilne od standardnih cezijevih ur.
Glavna prednost magnetometra na hladne atome pred tistim na vroče pare so boljša prostorska ločljivost, daljši koherenčni čas ter zanemarljiva dopplerska razširitev, kar pomeni, da je mnogo bolj občutljiv in natančen. Zaradi majhne velikosti atomskega oblaka (premer znaša le nekaj desetink milimetra) bi lahko takšne senzorje uporabili za merjenje magnetnega polja po prostoru in njegovega gradienta. Metode za hlajenje atomov omogočajo tudi natančen nadzor nad pozicijo, številom, gostoto, temperaturo in kvantnim stanjem ujetih atomov. Skupaj z možnostjo natančnega uravnavanja interakcij med atomi s t. i. Feshbachovimi resonancami omogočajo izvajanje eksperimentov pri različnih pogojih. Zaradi tega so hladni atomi idealen sistem za testiranje kvantnih tehnologij. V projektu predlagamo razvoj novega magnetometra na hladne atome. Ujete atome bomo uporabili kot natančen senzor magnetnega polja. Dokazati nameravamo osnovne koncepte delovanja takšnega senzorja in sestaviti prototip, s katerim bomo izmerili signal jedrske kvadrupolne resonance (NQR) pravega vzorca.
Predlagani ambiciozni projekt sestoji iz treh delov. V prvem delu bo potekal razvoj magnetometra na vroče cezijeve pare z dvema metodama detekcije signala. V drugem delu bomo razvili magnetometer na hladne cezijeve atome. Atome bomo ohladili vse do temperatur okoli nekaj nanokelvinov v obstoječi napravi. Oblake hladnih atomov bomo uporabili kot senzorje magnetnega polja, pri čemer se bomo poslužili enake metode detekcije kot pri magnetometru na vroče pare. To bo omogočilo direktno primerjavo zmogljivosti obeh magnetometrov. Razvili bomo tudi teoretični opis sistema za primerjavo z meritvami. V zadnjem, tretjem delu projekta se bomo osredotočili na splošno uporabnost naprave. Lastnosti oblaka cezijevih atomov bomo prilagajali s spreminjanjem eksperimentalnih parametrov med njegovo pripravo. Pozicijo oblaka bomo spreminjali s premikanjem laserskih žarkov, ki ustvarjajo optično past za atome. Tako bomo lahko izvedli dva eksperimenta za prikaz zmogljivosti senzorja: določitev profila magnetnega polja kvadrupolne tuljave ter meritev magnetnega gradienta v vakuumskem sistemu. Poleg tega bomo s senzorjem na hladne atome poskušali izmeriti NQR signal vzorčnega materiala.
Delo bo potekalo v dobro organizirani ekipi strokovnjakov iz dveh znanstvenih disciplin. Vsi so z odličnimi rezultati v preteklosti že dokazali svojo veščino na relevantnih področjih. Trdno smo prepričani, da je predlagani projekt uresničljiv ter verjamemo, da bomo s tem pridobili pomembno novo znanje o kvantnih senzorjih in magnetometer na hladne atome, s katerim bo mogoče meriti magnetna polja z večjo natančnostjo in ločljivostjo kot kada
Pomen za razvoj znanosti
Predlagamo ambiciozen raziskovalni projekt za razvoj najsodobnejše tehnologije za detekcijo magnetnih polj in gradientov magnetnega polja. V letošnjem letu je Evropska komisija oznanila milijardno iniciativo za kvantne raziskave in tehnologije z namenom, da bi spodbudila razvoj naprav z močno izboljšano zmogljivostjo za zaznavanje, merjenje in slikanje. Takšne naprave bi se lahko uporabljale za komunikacijo, simulacije ali kot kvantni računalniki. Nove kvantne tehnologije bi se lahko izkazale kot ključne pri reševanju velikih izzivov na področjih energetike, zdravstva, varnosti in okoljevarstva. Namen projekta je z novimi kvantnimi napravami izboljšati detekcijo trenutno najsodobnejše tehnologije, kar bi imelo lahko velik vpliv na prihodnost. Glavni cilj je z optičnim magnetometrom na hladne atome izboljšati prostorsko ločjivost najboljših obstoječih magnetometrov vsaj za en velikostni red. Uspešna zaključitev projekta bi zagotovo predstavljala pomemben prispevek na področju kvantnih senzorjev. Razvili bi nove eksperimentalne tehnike in teoretična orodja, ki bi omogočala direktno primerjavo zmogljivosti obstoječih atomskih magnetometrov na vroče pare z novimi na hladne atome za zaznavanja statičnih in radiofrekvenčnih magnetnih polj. Poleg razumevanja osnovnih principov nove generacije kvantnih senzorjev, bi tekom razvoja pridobljene izkušnje in znanje gotovo pomagale v prihodnosti pri razvoju drugih senzorjev osnovanih na kvantni tehnologiji.
Ta multidisciplinarni razvojni projekt bo izvedla dobro organizirana skupina fizikov in strokovnjakov za mikroelektroniko. Vsi člani skupine so v preteklosti dokazali svojo zmožnost doseganja vrhunskih rezultatov z dobro pripravo raziskovalnega načrta in koordinacijo projektov. Zaradi pomembnosti raziskovalnega področja pričakujemo, da bomo lahko rezultate objavili v najuglednejših raziskovalnih revijah.
Pomen za razvoj Slovenije
Predlagani projekt združuje raziskovalna prizadevanja in ideje treh raziskovalnih skupin iz dveh znanstvenih disciplin: eksperimentalne in teoretične fizike ter elektrotehnike. Obe disciplini imata v Sloveniji bogato tradicijo. V preteklosti so znanstveniki z obeh področij dokazali zmožnost sodelovanja pri projektih, kot je npr. nedavni projekt »Selektivni in hiperobčutljivi mikrokapacitivni senzorski sistem za ciljno detekcijo molekul v atmosferi«. S tesnim sodelovanjem so bili pri tem triletnem projektu doseženi zavidljivi rezultati in razvita tehnologija, ki se na področju znanosti in tehnologije molekularnih senzorjev uvršča med najboljše na svetu. Za uspešno nadaljevanje znanstvene raziskovalne tradicije, je pomembno raziskovanje novih relevantnih vprašanj, ki obsegajo širok spekter raziskovalnih področij.
Prepričani smo, da bo v prihodnosti kvantna tehnologija vsaj tako pomembna, kot sta danes informacijska in komunikacijska tehnologija. Sčasoma pričakujemo razvoj manjših visokotehnoloških podjetij, ki bodo izkoristila naše raziskovalne dosežke in razvito tehnologijo. Rezultati predlaganih raziskav so osnova za razvoj občutljivih magnetnih senzorjev, ki bi se lahko uporabljali za različne namene, kot so:
- novi prototipi senzorjev za uporabo v medicini (kot zamenjava za SQUID detektorje),
- izboljšanje občutljivosti detektorjev za nekontaktno zaznavanje prepovedanih substanc (NQR
naprave na mejnih in varnostnih kontrolnih točkah),
- izboljšani NQR in NMR spektrometri za laboratorijsko analizo (farmacija),
- uporaba senzorjev v eksperimentalnih laboratorijih (fizika, kemija).
Uspešna zaključitev projekta in nadaljna komercializacija pridobljenega znanja bi direktno vplivali na domače gospodarstvo, še posebej na področjih industrije kontrolnih sistemov, optičnih elementov, itd. Ustvarjanje novih delovnih mest v visokotehnološki industriji bi pozitivno vplivalo na dolgoročno rast slovenskega gospodarstva.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
