Kvantiniai deimantai keičia žaidimo taisykles: nuo karo lauko iki vėžio diagnozės

„Yra daug technologinių problemų, kuriuos deimantas išspręs“, – sako Vilniaus universiteto (VU) Fizikos fakulteto mokslo darbuotoja dr. Mažena Mackoit-Sinkevičienė.

Vieną tokių sprendimų mokslininkė kartu su Fizikos fakulteto pirmo kurso studente Deimante Juknevičiūte pristatė kovo pabaigoje vykusiame VU organizuotame mokslo komunikacijos konkurse „Mokslo sprintas“. Kilus karui ar atsiradus asteroido grėsmei, šiuo metu visame pasaulyje naudojamos GPS ir kitos palydovinės sistemos ekstremaliomis sąlygomis gali būti atjungtos, sutrikdytos arba nutrauktos. Ko tokiu atveju reikėtų imtis?

„Mūsų atsakymas yra toks – mes naudosime kvantinius deimantus Žemės magnetiniam laukui detektuoti“, – sako dr. M. Mackoit-Sinkevičienė.

„Žemės magnetinis laukas nėra vienodas, magnetinio lauko anomalijos – tarsi pirštų atspaudai – tai unikalūs raštai, būdingi kiekvienai konkrečiai vietai. Jei turite pakankamai tikslų, jautrų ir stabilų magnetometrą – kvantinį deimantą – ir žinote šiuos raštus, galite orientuotis pagal juos“, – išeitį siūlo D. Juknevičiūtė.

Kas tie kvantiniai deimantai?

Deimantai, kuriuos esame įpratę matyti, pavyzdžiui, papuošaluose, nėra kvantiniai. Tokie jie tampa, jei turi defektų, dar vadinamų NV centrais (anglies vakansijos ir azoto kompleksais).

„Gamtoje bet kas, ką mes užauginame, kas mus supa, nėra idealu, viskas yra su defektais. Net statistinė fizika parodo, kad stabiliausia būsena yra būtent su defektais. Tai, kas idealu, pasirodo, energetiškai nėra naudinga – tokios sistemos tiesiog neegzistuoja“, – teigia dr. M. Mackoit-Sinkevičienė.

Šie defektai suteikia deimantui kvantinių savybių, tarp jų – elektrono sukinį, kuris leidžia reaguoti į magnetinius laukus, temperatūros svyravimus ir kitus pokyčius. Sukinį galima prilyginti jautriai antenai, kuri tiksliai reaguoja į poveikį iš išorės. Dėl šios priežasties, pasak D. Juknevičiūtės, deimantas gali nustatyti magnetinį lauką.

Ar kvantiniai deimantai matomi plika akimi? Pasak dr. M. Mackoit-Sinkevičienės, NV centras leidžia deimantui sugerti žalią šviesą ir išspinduliuoti rožinę arba raudoną. Būtent tokias jų spalvas mato žmonės.

Kvantiniai deimantai – žmonėms surasti

2022 m. vasario pabaigoje Rusijai pradėjus plataus masto invaziją į Ukrainą, išaugo skaičius tyrimų, susijusių su ekstremaliomis sąlygomis. Kaip pasakoja dr. M. Mackoit-Sinkevičienė, naudojant mažus deimantus, dar vadinamus nanodeimantais, galima surasti paslėptus žmones, mašinas, prietaisus.

„Galima detektuoti įvairius paslėptus prietaisus, minas. Kariškiai ir šiuo metu turi mažus automobilius, prie kurių pritvirtinti sensoriai – jiems veikiant žmogus gauna signalą kompiuteryje ar planšetėje. Jį gavęs, žmogus važiuoja ir skenuoja, ką aptiko sensoriai.

Karo lauke nanodeimantai šiuo metu testuojami kaip pažangi alternatyva GPS sistemoms, ypač aplinkose, kuriose GPS signalas yra ribotas ar slopinamas, taip pat minoms ir savadarbiams sprogmenims aptikti, nes šie įtaisai dažnai turi metalinių komponentų, kurie iškreipia natūralų Žemės magnetinį lauką ir sukuria aptinkamas magnetines anomalijas. Net jei sprogmuo giliai po žeme ar padarytas iš mažo kiekio metalo, kvantinis deimantas gali jį užfiksuoti. Tai padeda ne tik rasti objektą, bet ir nustatyti jo dydį, formą bei gylį, kuriame jis yra“, – pasakoja mokslininkė.

Pasak dr. M. Mackoit-Sinkevičienės, ateityje kuriami mobilūs kvantiniai skeneriai pasižymės itin dideliu tikslumu ir gebėjimu aiškiai atvaizduoti požeminius objektus. Tokie prietaisai galėtų pranokti dabar naudojamus magnetometrus ir iš esmės pakeisti karines bei civilines saugumo ir tyrimų sritis.

Naudingi ir komunikacijoje, ir atpažįstant vėžines ląsteles

Mokslininkės teigimu, kvantiniai deimantai taip pat gali aptikti mikroįtrūkius prieš jiems išplintant – pavyzdžiui, tiltų konstrukcijose ar reaktyvinių variklių mentėse.

„Kvantiniai deimantai pasižymi dideliu jautrumu ir potencialiai didele erdvine skiriamąja geba, todėl jie gali nuskenuoti paviršių mikrometriniu tikslumu“, – sako pašnekovė.

Dar vienas kvantinių deimantų panaudojimo būdas susijęs su komunikacija. Anot dr. M. Mackoit-Sinkevičienės, Lietuva aktyviai įsitraukė į Europos Komisijos inicijuotą kvantinės komunikacijos tinklų kūrimo programą. VU kartu su partneriais iš Kauno technologijos universiteto ir Vilnius TECH pateikė paraišką projekto, kurio tikslas – įgyvendinti kvantinę komunikaciją per palydovinį ryšį tarp Lietuvos ir Lenkijos. Tam būtų naudojamos optinės žemės stotys ir prijungiama žemės infrastruktūra prie bandomojo palydovo „Eagle-1“. Mokslininkės teigimu, toks ryšys būtų nepalaužiamas ir apsaugotas.

„Iki šiol niekada nebuvo aišku, kas perims šifruotes, kokia trečioji šalis. Šveicarai netgi balsuodavo naudodami kvantinę šifruotę – pirmieji pasaulyje tai pademonstravo dar 2007 m.“, – sako dr. M. Mackoit-Sinkevičienė.

Ji priduria, kad nanodeimantai taip pat gali padėti nustatyti tikslią vėžio naviko vietą. Šie deimantai yra netoksiški, chemiškai stabilūs ir biologiškai suderinami, todėl saugiai veikia žmogaus organizme.

„Jų paviršių galima funkcionalizuoti – padengti specialiomis molekulėmis, kurios atpažįsta specifines vėžines ląsteles. Dėl to nanodeimantai tikslingai kaupiasi naviko srityje, kur jų signalas išlieka stabilus, laikui bėgant neblunka, nesukelia fototoksinio poveikio. Tai leidžia juos naudoti ilgalaikei stebėsenai gyvame organizme. Pavyzdžiui, matuoti lokalų karštį navike ar įvertinti naviko mikroaplinkos būklę. Tokia informacija svarbi ne tik diagnozuojant, bet ir parenkant terapiją“, – pasakoja mokslininkė.

Kvantiniai deimantai ir superlaidumas

Kvantiniai deimantai gali būti naudojami vienam svarbiausių šiuolaikinės fizikos siekių – superlaidumo tyrimui.

„Apie superlaidumą pastaruoju metu daug kalbama – ir per LRT, ir tarptautinėje žiniasklaidoje. Antraštės skelbia, kad galbūt pagaliau pasiektas vadinamasis „aukso gralis“ – medžiaga, kuri elektrą perduoda be energijos nuostolių. Pagrindinė mokslininkų siekiamybė yra surasti medžiagą, kuri būtų superlaidi kambario temperatūroje. Tokia technologija iš esmės pakeistų mūsų kasdienybę – nuo energetikos iki elektronikos, sumažėtų sistemų sąnaudos ir kainos“, – aiškina mokslininkė.

Kol kas superlaidumą pavyksta pasiekti tik ekstremaliomis sąlygomis, pavyzdžiui, esant itin aukštam slėgiui arba labai žemai temperatūrai.

„Tačiau nėra kaip superlaidumo įrodyti, nes reikia parodyti du dalykus – kad varža nukrenta iki nulio, o kitas dalykas yra Meisnerio efektas – magnetinio lauko išstūmimas. Šiuo atveju reikia detektuoti magnetinį lauką. Bet kaip patvirtinti superlaidumą ekstremaliomis sąlygomis, pavyzdžiui, esant aukštam slėgiui, kur užspaudžiami bandiniai būna labai maži, o tradiciniai matavimo metodai netinka? Tokiu atveju kvantiniai deimantai iš tiesų tampa labai naudingi, nes leidžia detektuoti magnetinį lauką mikromasteliu“, – sako dr. M. Mackoit-Sinkevičienė.

Auginami deimantai

Natūraliai randami deimantai kartais turi pernelyg daug defektų, todėl būna netinkami moksliniams tyrimams. Dėl to, kaip pasakoja dr. M. Mackoit-Sinkevičienė, fizikai patys augina sintetinius deimantus laboratorijose – taip galima tiksliai kontroliuoti, kiek ir kokių defektų turi būti. Bandymai auginti deimantus atlikti ir VU, ir Fizinių ir technologijos mokslų centre, tačiau kol kas juos Lietuva perka iš Vokietijos.

Pasak D. Juknevičiūtės, daugelis žmonių, išgirdę žodį deimantas, galvoja, kad tai – labai brangi technologija. Vis dėlto, sako ji, sintetiniai deimantai nėra tokie brangūs. Jų kaina svyruoja nuo kelių šimtų iki kelių tūkstančių eurų priklausomai nuo to, kokius tyrimus ketinama atlikti.

„Aišku, brangi yra ta pirminė įranga, naudojama jiems auginti, tačiau vėliau šis procesas nereikalauja tiek daug finansinių išteklių. Galbūt tokia žmonių nuomonė yra susidariusi dėl papuošalų, bet jie yra brangūs būtent dėl juvelyrų pastangų. Pats užaugintas deimantas nėra brangus“, – kalba studentė.

Deimantė sako besidžiaugianti, kad dalyvavo „Mokslo sprinte“, ir tikisi, kad jos ir dr. M. Mackoit-Sinkevičienės sėkmingas pasirodymas – iškovota trečia vieta – įkvėps konkurse dalyvauti ir kitus Fizikos fakulteto studentus.