科學人／「2顆葡萄」成量子科技突破點！ 微波輻射可產生強烈磁場熱點

這項實驗中，研究團隊採用了創新的方法，利用兩顆葡萄作爲媒介，將微波傳遞到奈米鑽石中的氮-空位中心。圖／Fawaz, Nair, Volz

當我們在超市購買葡萄時，可能沒人會想到這些日常水果竟然能成爲量子科技研究的突破點。

然而，麥覺理大學（Macquarie University）的研究團隊最近在《應用物理評論》（Physical Review Applied）上發表的一項研究顯示，成對的葡萄在微波輻射下可以產生強烈的磁場熱點，爲量子感測技術帶來嶄新的應用可能性。

葡萄如何與量子感測扯上關係？

這項研究靈感來自於網路上一些展示葡萄在微波爐中形成電漿效應的影片。這些影片展示了微波加熱時，葡萄能產生髮亮的帶電粒子球。過去的研究多集中於電場對此現象的影響，麥覺理大學的團隊則將目光放在量子技術中不可或缺的「磁場」上。

量子感測器是一種超高精密的工具，可用於測量微弱的磁場變化。在實驗中，研究人員發現，當量子感測器靠近成對的葡萄時，微波磁場的強度竟然翻倍！

奈米鑽石與葡萄的完美搭配

爲了驗證葡萄的磁場特性，研究團隊使用了含氮空位中心的奈米鑽石（Nitrogen-Vacancy Centers）。這些奈米鑽石因其獨特的光學特性，被廣泛用作量子感測器。

研究人員將這些奈米鑽石裝載於細玻璃纖維的尖端，並將其置於兩顆葡萄之間。透過綠光雷射照射，鑽石發出的紅光強度顯示了葡萄周圍微波磁場的變化。「我們發現，在葡萄的幫助下，微波磁場的強度增強了兩倍。」研究的主要作者阿里·法瓦茲（Ali Fawaz）補充。

葡萄的形狀與水的獨特作用

實驗結果還發現，葡萄的大小和形狀也會影響對磁場的增強效果。團隊發現，長度約27毫米的葡萄能最佳化微波能量的集中，與量子感測器的頻率完美配合。

研究的資深作者、麥覺理大學量子材料與應用小組負責人托馬斯·福爾茲教授（Professor Thomas Volz）表示，這一發現爲未來的量子設備設計開啓了全新可能。他指出，傳統量子感測設備通常使用藍寶石來集中微波能量，而葡萄主要由水組成，恰好是測試水在量子感測應用中的理想材料。

然而，研究也強調，水在能量集中方面雖然具有優勢，但其穩定性和能量損耗是需要解決的技術挑戰。這讓研究團隊看到了開發新材料的方向，目標是結合水的優點並克服其不足。

資料來源：

1. Grapes of math: Ordinary fruit enhances performance of quantum sensors

2. Ali Fawaz et al, Coupling nitrogen-vacancy center spins in diamond to a grape dimer, Physical Review Applied (2024). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.22.064078

（本文出自2024.12.27《科學人》網站，未經同意禁止轉載。）