Vilniaus universiteto (VU) Fizikos fakulteto mokslininkai, taikydami kvantinėse technologijose naudojamus įrankius, kartu su tarptautine komanda sukūrė naują perspektyvų spektroskopinį įtaisą – superlaidų mikrobangų mikrorezonatorių. Novatoriškas tyrimas paskelbtas prestižiniame žurnale „Small Methods“. Šis mokslininkų pasiekimas išplečia mikrorezonatorių panaudojimo galimybes ir atveria kelią įvairių itin mažo kiekio medžiagų tyrimams.
Prof. Mantas Šimėnas ir doktorantas Gediminas Usevičius. VU nuotr.
VU doktorantas Gediminas Usevičius pasakoja, kad ypač mažas, vos pusės milimetro, įrenginys pravers biochemijos ir kitose srityse, kur taikoma elektronų paramagnetinio rezonanso (EPR) spektroskopija ir eksperimentinė EPR metodologija. „Mūsų sukurtas mikrorezonatorius gali pamatuoti medžiagos bandinį milijoną kartų greičiau, palyginti su įprastine įranga. Su šiuo įrenginiu per kelias sekundes galime atlikti eksperimentus, kurie kitu atveju truktų metus laiko, arba ištirti tai, ko iki šiol išvis nebuvo įmanoma ištirti. Džiaugiamės prisidėję prie gilesnio medžiagų struktūros supratimo ir padedantys atskleisti, kas jose vyksta mikroskopiniu lygiu“, – sako jis.
VU Fizikos fakulteto profesorius Mantas Šimėnas teigia, kad netiesiogiai atliktų tyrimų rezultatai gali būti naudingi ir medicinos srityje. „Baltymai yra visos gyvybės pagrindas, neretai sietini ir su įvairiomis ligomis. Mūsų kurti rezonatoriai greičiausiai nebus taikomi ligų diagnostikoje, tačiau tikrai gali prisidėti prie baltymų struktūrų ištyrimo, įvairių medžiagų analizės ir cheminių junginių tyrimų“, – sako jis.
Galinį viršelį puošia konceptualiai parodyta EPR spektroskopija naudojant superlaidų mikrobangų mikrorezonatorių.
Pasak VU Fizikos fakulteto Taikomosios elektrodinamikos ir telekomunikacijų instituto mokslininkų, superlaidūs mikrorezonatoriai yra pažangūs įrenginiai, leidžiantys reikšmingai sustiprinti mikrobangų sąveiką su elektronų sukiniais, kurie elgiasi kaip kvantiniai bitai – kubitai. Mikrorezonatoriai, gaminami iš superlaidininkų, yra artimi bendram superlaidžių kvantinių grandinių konceptui, kuris glaudžiai susijęs su šių metų fizikos Nobelio premija. Superlaidūs kubitai bei mikroezonatoriai yra naudojami ir kvantiniuose kompiuteriuose, kuriuos kuria didžiųjų technologijų kompanijos, pavyzdžiui, „Google“, „IBM“, „Amazon“ ir kitos.
„Tokie mikrorezonatoriai gali „užmegzti ryšį“ su dalelių sukiniais – kvantinėmis dalelių savybėmis, būdingomis įvairioms medžiagoms. Ši mikrorezonatorių savybė ir leidžia padidinti rezonatoriaus jautrumą ir efektyvumą EPR tyrimuose“, – paaiškina dokt. G. Usevičius ir priduria, kad EPR spektroskopija matuoja medžiagoje esančių nesuporuotų elektronų sukinių elgseną. VU Fizikos fakulteto sukurti mikrorezonatoriai yra gaminiai iš YBCO – aukštatemperatūrio superlaidininko. Tai leidžia tyrimus atlikti skysto azoto temperatūroje (iki 80 Kelvinų arba -196 laipsnių Celsijaus), todėl šiuos mikrorezonatorius naudoti yra sąlyginai nebrangu, palyginti su standartiniais superlaidžiais mikrorezonatoriais, kurie įprastai veikia daug žemesnėje skysto helio temperatūroje.
Doktorantas Gediminas Usevičius ir prof. Mantas Šimėnas. VU nuotr.
Įprastinėje spektroskopijoje medžiaga yra apšviečiama, o tada stebima, kokią dalį ir kokio dažnio tos spinduliuotės ji sugeria – taip gaunama informacija apie medžiagos struktūrą ir sudėtį. EPR spektroskopija skiriasi nuo tradicinės, nes yra naudojama mikrobangų spinduliuotė. „EPR spektroskopija veikia mikrobangų, arba gigahercų dažnių, diapazone, kuriame taip pat veikia įvairūs prietaisai, kaip „Wi-Fi“ ar mikrobangų krosnelės. Mūsų sukurti mikrorezonatoriai yra specialiai pritaikyti mikrobangų rezonansui, kuris ir leidžia vykdyti EPR tyrimus“, – paaiškina prof. M. Šimėnas.
Kartu tyrimus atliko prestižinių Londono universitetinio koledžo (angl. University College London) ir Londono imperatoriškojo koledžo (angl. Imperial College London) mokslininkai. Prie mikrorezonatorių gamybos taip pat prisidėjo Fizinių ir technologijos mokslų centro mokslininkai.
Tyrimai iš dalies finansuoti Europos mokslo tarybos, įgyvendinant projektą „EPR jautrumo didinimas naudojant dviejų modų mikrobangų rezonatorius ir itin žemo triukšmo mikrobangų stiprintuvus“ (angl. Strongly Enhanced Sensitivity EPR through Bimodal Resonators and Quantum Limited Amplifiers) (ERC, Strong-ESPRESSO, 101162021).