Ενεργειακή διακριτική ικανότητα μαγνητoμέτρων που αναπτύσσει η κβαντική τεχνολογία και η φύση
Σε δύο άρθρα που δημοσιεύτηκαν στα περιοδικά Physical Review Letters και PRX Life, ο Ευθύμης Γκουδινάκης, τριτοετής προπτυχιακός φοιτητής του Τμήματος, και ο Γιάννης Κομίνης, παρουσιάζουν την πρόοδο στην κατανόηση του θεμελιώδους ορίου στη μαγνητική ευαισθησία μαγνητομέτρων, αυτών που αναπτύσσει η κβαντική τεχνολογία, και αυτών που έχει αναπτύξει η φύση.
Πιο συγκεκριμένα, στα κβαντικά μαγνητόμετρα γίνεται εδώ και πολλά χρόνια προσπάθεια να κατανοηθεί ποιο είναι το θεμελιώδες όριο στην ευαισθησία τους που θέτει η κβαντική φυσική. Υπάρχουν πολλοί τύποι μαγνητομέτρων, όπως αυτά που λειτουργούν με αέρια αλκαλικών ατόμων (στα οποία δραστηριοποιείται και η ομάδα του Γ. Κομίνη), αυτά που βασίζονται σε κενή θέση αζώτου στο διαμάντι, τα υπεραγώγιμα μαγνητόμετρα (SQUIDs), και αρκετά άλλα. Για κάθε τεχνολογία, χρησιμοποιούνται οι σχετικές φυσικές αρχές για να κατανοηθεί η θεμελιώδης ευαισθησία που έχουν τα μαγνητόμετρα, και άρα πόσος χώρος για βελτίωση υπάρχει, ώστε να αναπτυχθούν νέες εφαρμογές. Η προσπάθεια αυτή δεν έχει τελεσφορήσει, γιατί προκύπτουν ολοένα και καινούργια ερωτήματα και μέθοδοι αντιμετώπισης σύνθετων διεργασιών σε ανοικτά και πολυμελή κβαντικά συστήματα.
Όμως, ειδικότερα για τα υπεραγώγιμα και ατομικά μαγνητόμετρα είχε παρατηρηθεί πριν 40 και 20 χρόνια αντίστοιχα, ότι ένα μέγεθος που συνδέει τη μαγνητική ευαισθησία, τον όγκο του αισθητήρα και το χρόνο μέτρησης, το οποίο μέγεθος έχει διαστάσεις δράσης, ισούται περίπου με τη σταθερά του Planck. Το μέγεθος αυτό ονομάζεται ενεργειακή διακριτική ικανότητα (για την ακρίβεια ενεργειακή διακριτική ικανότητα ανά εύρος ζώνης, energy resolution per bandwidth), και προσέφερε μία διαφορετική οπτική γωνία στην προσπάθεια κατανόησης της θεμελιώδους μαγνητικής ευαισθησίας. Το ότι η αριθμητική του τιμή συνέπιπτε με τη σταθερά του Planck φαινόταν να προέρχεται από κάποια θεμελιώδη αρχή, όμως δεν κατέστη εφικτό να βρεθεί ποια είναι αυτή η αρχή. Οι παρατηρήσεις αυτές γενικεύτηκαν το 2020, όταν δημοσιεύτηκε μία μετα-ανάλυση για δεκάδες πειραματικές υλοποιήσεις μαγνητομέτρων, η οποία έδειξε ότι η ενεργειακή διακριτική ικανότητα όλων προκύπτει μεγαλύτερη ή ίση από τη σταθερά του Planck, και πάλι χωρίς να εξηγείται αυτή η παρατήρηση από πρώτες αρχές.
Στο άρθρο [1] παρουσιάζεται η πρώτη στη βιβλιογραφία επεξήγηση των παραπάνω παρατηρήσεων από πρώτες αρχές, κάνοντας χρήση εννοιών της κβαντικής θερμοδυναμικής. Δείχνεται ότι το θερμοδυναμικό έργο που ανταλλάσσεται μεταξύ αισθητήρα και μαγνητικού πεδίου κατά τη διάρκεια μίας κβαντικής μέτρησης οδηγεί σε διακυμάνσεις του μαγνητικού πεδίου μεγέθους τέτοιου που ικανοποιείται η παραπάνω ανισότητα για την ενεργειακή διακριτική ικανότητα. Εισάγεται έτσι μία νέα αντίληψη για τη θεμελιώδη λειτουργία πολλών τεχνολογιών μαγνητομετρίας, που αναμένεται να βοηθήσει στην ανάπτυξη ακόμα πιο ευαίσθητων διατάξεων.
Όμως οι άνθρωποι δεν ήταν οι πρώτοι που ανέπτυξαν μαγνητόμετρα. Η φύση έχει αναπτύξει βιολογικά μαγνητόμετρα που βοηθούν πολλούς ζωντανούς οργανισμούς να πλοηγηθούν στο γεωμαγνητικό πεδίο. Τα τελευταία 60 χρόνια οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει διάφορους μηχανισμούς για να εξηγήσουν τη βιολογική μαγνητομετρία, οι οποίοι όμως δεν είναι ακόμα πλήρως κατανοητοί, και αρκετές φυσικές παράμετροι που υπεισέρχονται δεν είναι γνωστές με ακρίβεια. Στο άρθρο [2] η ενεργειακή διακριτική ικανότητα χρησιμοποιείται αντίστροφα: αφού περιμένουμε ότι και τα βιολογικά μαγνητόμετρα, που υπακούν τους νόμους της φυσικής, θα ικανοποιούν την παραπάνω ανισότητα, τη χρησιμοποιούμε για να εξάγουμε συμπεράσματα για τις βιοφυσικές αυτές παραμέτρους. Έτσι οι βιολόγοι, χημικοί και φυσικοί θα έχουν κάποιους χρήσιμους περιορισμούς στα μοντέλα που μελετούν και στα πειράματα που αναλύουν. Επιπλέον, μαθαίνουμε πόσο κοντά στο κβαντικό όριο βρίσκονται τα βιολογικά μαγνητόμετρα. Και αν ακόμα απέχουν από αυτό, μαθαίνουμε πόσος χώρος βελτίωσης υπάρχει για να μπορούμε να σχεδιάσουμε βιομιμητικά κβαντικά μαγνητόμετρα, με πλήθος πιθανών εφαρμογών στη βιολογία και στην ιατρική. Tο άρθρο [2] επιλέχθηκε από τους εκδότες για να παρουσιαστεί στα εκλαϊκευμένα νέα της APS.
Επιστημονικές Δημοσιεύσεις
[1] I. K. Kominis, Quantum thermodynamic derivation of the energy resolution limit in magnetometry, Physical Review Letters 133, 263201 (2024).
[2] I. K. Kominis and E. Gkoudinakis, Approaching the Quantum Limit of Energy Resolution in Animal Magnetoreception, PRX Life 3, 013004 (2025).
