Системный подход к разработке датчика механической нагрузки из модифицированного алмаза

Решение современных и перспективных задач, решаемых робототехническими устройствами, которые управляются с помощью искусственного интеллекта, требует применения малогабаритных измерительных приборов. В этом случае хорошую перспективу имеют интенсивно разрабатываемые квантовые датчики и квантовые компьютеры. Главным преимуществом квантовых технологий является возможность обработки данных случайных процессов с разложением сложных функций на простые множители при малом размере квантовых устройств и возможности передачи данных на большие расстояния без проводов. Особенность состоит в том, что данные, передаваемые по квантовым линиям связи, не могут быть скопированы или перехвачены, что очень полезно для дистанционного управления сложными техническими системами. Квантовый компьютер способен успешно обрабатывать большой объём вероятностных зашумлённых данных так, что это его свойство может быть полезно для быстрого получения оценки технического состояния сложной системы. Это связано с тем, что пропадает необходимость перебирать все возможные решения задачи оценки с огромным объёмом входных данных, некоторые из которых могут быть явно не определены. Основная проблема в исследовании квантовых процессов заключается в том, что исследователи изучают процессы, происходящие в материалах, но они не указывают способы, которыми квантовые датчики могут быть применены в инженерной практике. В данной статье демонстрируется, как сформировать измерительный преобразователь, основанный на квантовых технологиях и который совместим как с квантовым, так и с традиционным современным вычислителем. Основной целью исследования явилось приближение результатов фундаментальных исследований в области квантовых технологий к их применению в прикладных задачах. Показано, как квантовые процессы могут быть перенесены в область технических измерений физических величин, используемых в сложных системах для получения информации о состоянии её нагруженных элементов. В процессе получения результатов использовались гипотетико дедуктивный метод и метод восхождения от абстрактного к конкретному в рамках системного подхода к разработке элементов технических систем. Результатом работы является описание процессов, проходящих в чувствительном элементе, воспринимающем напряжённость конструкции и созданном из модифицированного алмаза. Модифицированный алмаз с NV центром служит основой для генераторного датчика. Основной вывод исследования состоит в том, что квантовые датчики, реализованные на основе модифицированного алмаза, хорошо описываются теорией измерительных преобразователей с частотным выходом и могут быть использованы для получения данных о состоянии объекта, как функции от напряжённости элементов его конструкции.

чувствительный элемент, NV центр, квантовый датчик, частотный датчик, измерительный канал, преобразователь с частотным выходом

1. Cîrstoiu C., Holmes Z., Iosue J. Variational fast forwarding for quantum simulation beyond the coherence time // NPJ Quantum Information. 2020. Vol. 6, no. 82. P. 10. DOI: https://doi.org/10.1038/s41534-020-00302-0

2. Cho, A. IBM promises 1000-qubit quantum computer-a milestone-by 2023 [Электронный ресурс] // Science. 15 September 2020. DOI: https://doi.org/10.1126/science.abe8122 (дата обращения 19.09.2020).

3. Горенштейн И.А. Гидростатические частотные датчики первичной информации. М.: Машиностроение, 1976. 182 c.

4. Arai K. Geometric phase magnetometry using a solid-state spin [Электронный ресурс] / K. Arai, J. Lee, C. Belthangady, D.R. Glenn, H. Zhang, R.L. Walsworth // Nature Communications 9, Article number: 4996. DOI: 10.1038/s41467-018-07489-z (дата обращения 08.09.2020).

5. Craik D.P.L.A., Kehayias P., Greenspon A.S. и др. A microwave-assisted spectroscopy technique for determining charge state in nitrogen-vacancy ensembles in diamond [Электронный ресурс] // arXiv.org. URL: https://arxiv.org/abs/1811.01972v1 (дата обращения 02.10.2020).

6. Bhallamudi V., Hammel P. Nanoscale MRI [Электронный ресурс] // Nature Nanotechnology. 2015. Vol. 10. Pp. 104–106. DOI: https://doi.org/10.1038/nnano.2015.7 (дата обращения 08.10.2020).

7. Bucher D.B. Hyperpolarization-enhanced NMR spectroscopy with femtomole sensitivity using quantum defects in diamond / D.B. Bucher, D.R. Glenn, H. Park, M.D. Lukin, R.L. Walsworth // Physical Review X. DOI: 10.1103/PhysRevX.10.021053 (дата обращения 08.09.2020).

8. Casola F., van der Sar T., Yacoby A. Probing condensed matter physics with magnetometry based on nitrogen-vacancy centres in diamond [Электронный ресурс] // Nature Review Materials. 2018. Vol. 3. Article number: 17088. URL: https://www.nature.com/articles/natrevmats201788 (дата обращения 08.09.2020).

9. Teeling-Smith R.M., Jung Y.W., Scozzaro N. и др. Electron paramagnetic resonance of a single nanodiamond attached to an individual biomolecule // Biophysical Journal. 2016. Vol. 110, iss. 9. Pp. 2044–2052. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bpj.2016.03.022

10. Schloss J.M. Simultaneous broadband vector magnetometry using solid-state spins / J.M. Schloss, J.F. Barry, M.J. Turner, R.L. Walsworth // Physical Review Applied. 2018. Vol. 10, iss. 3. Pp. 034–044. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.10.034044

11. Hopper D.A., Shulevitz H.J., Bassett L.C. Spin readout techniques of the nitrogenvacancy center in diamond // Micromachines. 2018. Vol. 9, iss. 9. 437. DOI: https://doi.org/10.3390/mi9090437 (дата обращения 08.09.2020).

12. Fernández-Acebal P., Rosolio O., Scheuer J. и др. Toward hyperpolarization of oil molecules via single nitrogen vacancy centers in diamond // Nano Lett. 2018. Vol. 18, no. 3. Pp. 1882– 1887. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b05175

13. Jaskula J.-C. Improved quantum sensing with a single solid state spin via spin to charge conversion [Электронный ресурс] / J.-C. Jaskula, B.J. Shields, E. Bauch, M.D. Lukin, A.S. Trifonov, R.L. Walsworth // Physical Review Applied, vol. 11, iss. 6. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.11.064003 (дата обращения 08.09.2020).

14. Marseglia L., Saha K., Ajoy A. и др. Bright nanowire single photon source based on siv centers in diamond [Электронный ресурс] // Optics Express. 2018. Vol. 26, iss. 1. Pp. 80–89. DOI: https://doi.org/10.1364/OE.26.000080 (дата обращения 08.09.2020).

15. Ohtsu M. Dressed photon technology [Электронный ресурс] // Nanophotonics. 2012. Vol. 1, iss. 1. Pp. 83–97. DOI: https://doi.org/10.1515/nanoph-2011-0001 (дата обращения 08.09.2020).

16. Jia W. Ultra-broadband coplanar waveguide for optically detected magnetic resonance of nitrogen-vacancy centers in diamond [Электронный ресурс] / W. Jia, Z. Shi, X. Qin, X. Rong, J. Du // Review of Scientific Instruments. 2018. Vol. 89, iss. 6. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5028335 (дата обращения 08.09.2020).

17. Wolfe C.S. Spatially resolved detection of complex ferromagnetic dynamics using optically detected nitrogen-vacancy spins [Электронный ресурс] / C.S. Wolfe, S.A. Manuilov, C.M. Purser, R. Teeling-Smith, C. Dubs, P.C. Hammel, V.P. Bhallamudi // Applied Physics Letters. 2016. Vol. 108, iss. 23. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4953108 (дата обращения 08.09.2020).

18. Tang H., Ahmed I., Puttapirat P. и др. (2018). Investigation of multi-bunching by generating multi-order fluorescence of NV center in diamond [Электронный ресурс] // Physical Chemistry Chemical Physics. 2018. Vol. 20, iss. 8. Pp. 5721–5725. DOI: https://doi.org/10.1039/C7CP08005K (дата обращения 08.09.2020).

19. Labanowski D. Voltage-driven, local, and efficient excitation of nitrogen-vacancy centers in diamond [Электронный ресурс] / D. Labanowski, V.P. Bhallamudi, Q. Guo, C.M. Purser, B.A. McCullian // Science Advances. 2018. Vol. 4, no. 9. 6 p. DOI: 10.1126/sciadv.aat6574 (дата обращения 08.09.2020).

20. Chrostoski P., Sadeghpour H.R., Santamore D.H. Electric noise spectra of a nearsurface nitrogen-vacancy center in diamond with a protective layer [Электронный ресурс] // Physical Review Applied. 2018. Vol. 10, iss. 6. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.10.064056 (дата обращения 08.09.2020).

21. Murai T., Makino T., Kato H. и др. Engineering of fermi level by nin diamond junction for control of charge states of NV centers [Электронный ресурс] // Applied Physics Letters. 2018. Vol. 112, iss. 11. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5010956 (дата обращения 08.09.2020).

22. Subedi S.D. Laser spectroscopy of highly doped NV-centers in diamond [Электронный ресурс] / S.D. Subedi, V.V. Fedorov, J. Peppers, D.V. Martyshkin, S.B. Mirov, L. Shao, M. Loncar // Proceedings SPIE, 2018. Vol. 10511. Solid State Lasers XXVII: Technology and Devices, 105112D. DOI: 10.1117/12.2290705 (дата обращения 08.09.2020).

23. Sjolander T.F. 13C-Decoupled J-coupling spectroscopy using two-dimensional nuclear magnetic resonance at zero-field [Электронный ресурс] / M.C.D. Tayer, A. Kentner, D. Budker, A. Pines // The Journal of Physical Chemistry Letters. 2017. Vol. 8, iss. 7. Pp. 1512–1516. DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b00349 (дата обращения 08.09.2020).

24. Udvarhelyi P. Spin-strain interaction in nitrogen-vacancy centers in diamond [Электронный ресурс] / V.O. Shkolnikov, A. Gali , G. Burkard, A. Pályi // Physical Review B. 2018. Vol. 98, iss. 7. 075201. DOI: 10.1103/PhysRevB.98.075201 (дата обращения 08.09.2020).

25. Zhang M.J.H., Ku F., Casola C.H. и др. Spin-torque oscillation in a magnetic insulator probed by a single-spin sensor [Электронный ресурс] // Physical Review B. 2020. Vol. 102, iss. 2. 024404. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.024404 (дата обращения 08.09.2020).

26. Barfuss A. Strong mechanical driving of a single electron spin [Электронный ресурс] / A. Barfuss, J. Teissier, E. Neu, A. Nunnenkamp, P. Maletinsky // Nature Physics. 2015. Vol. 11. Pp. 820– 824. DOI: 10.1038/NPHYS3411 (дата обращения 08.09.2020).

27. Delaney P., Greer J.C., Larsson J.A. Spin-polarization mechanisms of the nitrogenvacancy center in diamond [Электронный ресурс] // Nano Letters. 2010. Vol. 10, iss. 2. Pp 610–614. DOI: https://doi.org/10.1021/nl903646p (дата обращения 08.09.2020).

28. Zhu X., Saito S., Kemp A. и др. Coherent coupling of a superconducting flux qubit to an electron spin ensemble in diamond [Электронный ресурс] // Nature. 2011. Vol. 478. Pp. 221–224. DOI: https://doi.org/10.1038/nature10462 (дата обращения 08.09.2020).

29. Liu G.-Q., Pan X.-Y. Quantum information processing with nitrogen-vacancy centers in diamond [Электронный ресурс] // Chinese Physics B. 2018. Vol. 27, no. 2. DOI: https://doi.org/10.1088/1674-1056/27/2/020304 (дата обращения 08.09.2020).

30. Волков Д.И., Проскуряков С.Л. Ультразвуковой метод контроля качества режущих пластин из сверхтвердых материалов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2016. Том 18, № 1-2. C. 166–169.

31. Timoshenko S. Vibration Problems in Engineering [Электронный ресурс] // D. N.Y., Van Nostrand Company, Inc., 1937. 470 p. URL: https://archive.org/details/vibrationproblem031611mbp/mode/2up (дата обращения 02.10.2020).