Kwantumsensoren kunnen geheel nieuwe mogelijkheden bieden europahoy.news

Kwantumfysica is niet nieuw, maar pas sinds kort zijn we in staat om kwantumfenomenen te beheersen en daarmee nieuwe technologieën te ontwikkelen. Een van de gebieden waar kwantumtechnologie het meest volwassen en klaar voor toepassing is, is kwantum sensorenwaar kwantumfenomenen kunnen helpen sensoren ultragevoelig te maken, waardoor ze details kunnen zien en veel kleinere hoeveelheden kunnen meten dan mogelijk is met de huidige sensoren.

Het laboratorium van Kirstine Berg-Sørensen. Afbeelding tegoed: Jesper Scheel

Defecte diamanten als kwantumsensoren

Alexander Huck is een van de DTU-onderzoekers die meer dan tien jaar onderzoek doet naar het gebruik van diamanten als kwantumsensoren. Dit zijn door de mens gemaakte diamanten met een ingebouwde fout: het NV-centrum. Het NV-centrum gedraagt ​​zich als een kwantummechanische spin die zwakke magnetische velden en andere fysieke parameters kan registreren.

Alexander Huck heeft kwantumdiamanten onder meer gebruikt om biologisch materiaal te meten. In 2020 toonde hij samen met een multidisciplinair onderzoeksteam aan dat het mogelijk is om elektrische activiteit in spieren te meten met behulp van een NV diamond quantum sensor.

“Het voordeel van het gebruik van diamanten om biologisch materiaal te meten, is dat we geen elektroden in het materiaal hoeven te plaatsen om een ​​signaal te meten. In plaats daarvan kunnen we een diamant, in dit geval in de vorm van een klein plat plaatje van 1-2 mm x 1-2 mm, dicht bij het biologische materiaal plaatsen zonder het te ‘beschadigen’, en vervolgens de signalen meten met behulp van magnetische velden. We zijn er onlangs in geslaagd om soortgelijke metingen van weefsel-hersenactiviteit bij muizen uit te voeren, wat een belangrijke nieuwe mijlpaal is”, zegt Alexander Huck, universitair hoofddocent bij DTU Physics.

Volgens hem zullen kwantumsensoren een belangrijke rol spelen bij het verkrijgen van meer kennis over de hersenen en neurale netwerken, en uiteindelijk bijdragen aan zowel een betere diagnose als genezing van hersenaandoeningen.

Kennis van moleculen en fotosynthese.

Alexander Huck is onlangs ook begonnen met het gebruik van NV-diamantsensoren op lengteschalen die veel kleiner zijn dan cellen en weefsel in spieren en hersenen. Met de quantumsensor wil hij proberen meer inzicht te krijgen in moleculen. De algemene focus ligt op elektronische processen op moleculaire schaal, zoals fotosynthese, waar hij meer over wil leren door één of enkele moleculen tegelijk te bekijken.

« Als we in detail kunnen begrijpen hoe fotosynthese werkt, kunnen we op de lange termijn misschien kopiëren hoe planten energie van de zon verzamelen en omzetten in chemicaliën die kunnen worden opgeslagen en vervoerd. Veel van onze huidige kennis is gebaseerd op analyses van grote groepen moleculen, en dit kan sommige details vertroebelen. Ik wil daar inzicht in krijgen door naar de afzonderlijke moleculen te kijken”, zegt Alexander Huck.

Meer kennis over menselijke cellen.

Kirstine Berg-Sørensen gebruikt ook kwantumtechnologie voor biologische sensoren, maar dan met kleinere diamanten. Zijn focus ligt op het beter begrijpen van onze cellen.

“Onderzoekers in de celbiologie hebben de afgelopen jaren ontdekt dat cellen niet zo heterogeen zijn als we dachten. Individuele cellen ontwikkelen zich verschillend, ook al komen ze uit hetzelfde vertrekpunt. Dat geldt bijvoorbeeld voor kankercellen, maar ook voor immuuncellen, dat is mijn aandachtsgebied. Het is belangrijk om dieper inzicht te krijgen in welke cellen respectievelijk verantwoordelijk zijn voor ziekteontwikkeling en ziektebestrijding”, zegt Kirstine Berg-Sørensen, universitair hoofddocent bij DTU Health Tech.

Kirstine Berg-Sørensen heeft het grootste deel van haar carrière met optische vallen in het laboratorium gewerkt. In dit werk wordt een sterk gefocuste laserstraal van infrarood licht gebruikt om biologisch materiaal te onderzoeken. Op deze manier verwarmt het licht het materiaal niet en veroorzaakt het dus geen veranderingen ten opzichte van de analyses.

“Ongeveer zes jaar geleden kwam ik door het werk van Alexander Huck in aanraking met nanodiamanten, die het mogelijk maken om zwakke magnetische velden vast te leggen, bijvoorbeeld in menselijk weefsel. Dit bracht me op het idee om cellen te bestuderen door onze methoden te combineren en nu werken we hieraan samen”, zegt Kirstine Berg-Sørensen.

Twee methodes combineren

Cellen absorberen eerst kleine nanodiamanten met een diameter van ongeveer 120 nanometer, 500 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar. De onderzoekers lezen met laserlicht wat de diamant meet.

Op termijn is het doel om op basis van beide methoden een geavanceerd meetinstrument voor biologisch materiaal te ontwikkelen. Het voordeel van zowel de diamanten als de optische val is dat ze biocompatibel zijn, wat betekent dat ze geen interactie hebben met biologisch materiaal en dus niets « verstoren » met betrekking tot de meting. Ook kan de magnetische gevoeligheid werken bij kamertemperatuur en daarom zijn er geen extreem koude temperaturen onder 150 graden onder nul vereist, in tegenstelling tot andere soorten kwantumsensoren.

“We hebben al laten zien dat we cellen nanodiamanten kunnen laten opnemen. We moeten nu onze methode verfijnen om met een optische pincet, een laserstraal, de diamant rond de cel te ‘duwen’ zodat we verschillende delen van de cel kunnen meten. Daar werken we momenteel aan”, zegt Kirstine Berg-Sørensen.

E-MAT omvat een scala aan instrumenten die onder gecontroleerde omstandigheden de ontwikkeling en synthese van nieuwe materialen mogelijk maken. Afbeelding tegoed: DTU

Ontwikkeling van nieuwe kwantumsensoren

Hoewel kwantumsensoren al in staat zijn tot nauwkeurigere metingen dan gewone sensoren, wordt er gewerkt aan verdere verbetering ervan, bijvoorbeeld in een samenwerking tussen onderzoekers die werken aan de ontwikkeling van nieuwe materialen, waarbij Alexander Huck zijn expertise in NV-diamanten en kwantumsensoren inbrengt.

“Ons doel is om systematisch te onderzoeken of we een nieuwe sensor kunnen vinden die klein, biocompatibel, in staat is om bij kamertemperatuur te werken en magnetische velden in de hersenen van levende organismen kan meten. Hiermee kunnen we onze kennis van processen in de hersenen aanzienlijk vergroten. We zijn van plan om nieuwe sensoren te fabriceren met behulp van nieuwe, op maat gemaakte 2D-materialen waarmee we defecten op atomair niveau kunnen beheersen”, legt Nini Pryds, DTU Energy Professor, Materials Scientist en hoofdleider op het papier uit.

Het doel van het specifieke project is om een ​​volledig nieuwe kwantumsensor te ontwikkelen op basis van 2D-materialen die gevoeliger zullen zijn dan diamant.

“Om betere, goedkopere en praktischere kleine sensoren te maken, gaan we onderzoeken of het mogelijk is om op basis van 2D-materialen totaal andere soorten magnetisch gevoelige sensoren te gebruiken. Met de nieuwe sensor is ons toekomstig doel om in een vroeger stadium betere detectie te kunnen bieden, voordat hersenziekten de tijd hebben om zich verder te ontwikkelen”, zegt Nini Pryds.

De ontwikkeling van de nieuwe sensor zal ook profiteren van een nieuwe onderzoeksfaciliteit voor infrastructuur, bij DTU, E-MAT. Dit is de eerste in zijn soort in Noord-Europa, voor de synthese van een nieuwe generatie kwantummaterialen, en het bestaat nog maar op een paar plaatsen in de wereld. E-MAT is een handschoenenkastje met een gecontroleerde omgeving die een groep belangrijke apparatuur omvat, waaronder ultramoderne afzettingsmethoden die controle van oppervlakken en interfaces op atomaire schaal mogelijk maken. Deze infrastructuur zal het niet alleen mogelijk maken om nieuwe materialen theoretisch te voorspellen, maar ook om deze materialen te vervaardigen en te testen. Dit geeft de onderzoekers vertrouwen dat ze de komende jaren succesvol zullen zijn in het ontwikkelen van een nieuwe quantumsensor.

Quantumsensortesten

Sommige quantumsensoren zijn al zo ver in hun ontwikkeling dat ze worden getest voor gebruik in de praktijk. Dit omvat een kwantumversnellingsmeter, die in de toekomst het GPS-navigatiesysteem zou kunnen vervangen.

In de huidige testversie is de kwantumsensor een grote doos die veel ruimte in beslag neemt wanneer hij in een vliegtuig wordt gemonteerd en op een reis over Groenland wordt gestuurd om door het zwaartekrachtveld van de aarde te navigeren. Een van de doelen is om de kwantumsensor terug te brengen tot de grootte van een chip, zodat hij in de toekomst overal kan worden gebruikt: in vliegtuigen, schepen, gebouwen, ondergronds en onder water. Dit garandeert de onafhankelijkheid van het GPS-systeem, dat kan worden geblokkeerd of vervalst en dat een bedreiging vormt in de huidige geopolitieke situatie.

Fontein: DTU