3D-печатные поверхности помогают атомам «играть в мяч» для улучшения квантовых сенсоров

Учёные создали с помощью 3D-печати поверхности со сложной текстурой, которые могут отталкивать нежелательные частицы газа от квантовых сенсоров. Это позволяет эффективнее доставлять полезные частицы, такие как атомы, и может повысить точность измерений.

Исследователи из Школы физики и астрономии Ноттингемского университета разработали сложные микротекстуры поверхности, которые предпочтительно отражают падающие частицы в определённых направлениях. Это помогает удерживать мешающие частицы в стороне. Команда продемонстрировала это, применив технологию к поверхностному вакуумному насосу, утроив скорость удаления ненужных газовых частиц.

Исследование «Использование сложных 3D-печатных поверхностных структур для портативных квантовых технологий» опубликовано в журнале Physical Review Applied.

Квантовые сенсоры используют микроскопические квантовые объекты для измерения магнетизма, гравитации и других эффектов с беспрецедентной точностью. Ожидается, что они произведут революцию в медицинской диагностике, навигации и научных исследованиях.

Для работы им необходим вакуум, так как их крайняя чувствительность означает, что они не должны сталкиваться с молекулами воздуха. В сильном вакууме частицы могут пролететь метры или даже километры до столкновения с другой частицей.

Контроль газовой динамики в условиях высокого вакуума критически важен для точности измерений. Чтобы решить эту проблему, команда из Ноттингема создала систему размером с хоккейную шайбу, напечатав из титанового сплава поверхности с различными узорами — шестиугольными ячейками и коническими выступами. Эти узоры увеличивают количество контактов падающего атома с поверхностью. Система помещается в порты коммерческой вакуумной камеры.

«Мы всё ещё находим наиболее эффективные текстуры поверхности; многообещающими кандидатами являются шестиугольный узор, похожий на пчелиные соты, и сложный трёхмерный узор, вдохновлённый геометрическим искусством. Это относительно низкотехнологичное нововведение может существенно улучшить передовые квантовые технологии», — сказал Натан Купер, научный сотрудник Школы физики и астрономии и ведущий автор статьи.

Авторы протестировали, насколько сильно структурированные поверхности могут усиливать поверхностные вакуумные насосы, зафиксировав увеличение скорости откачки на единицу площади до 3,8 раз для протестированных образцов. Согласно симуляциям, достижимые поверхностные узоры могут обеспечить десятикратное увеличение.

«В этой работе захватывает то, что относительно простая инженерия поверхности может иметь удивительно большой эффект. Перекладывая часть нагрузки с активной откачки на пассивную поверхностную, этот подход потенциально может значительно сократить или даже устранить необходимость в громоздких насосах в некоторых вакуумных системах, что позволит сделать квантовые технологии гораздо более портативными», — отметил аспирант и соавтор статьи Бен Хоптон.

Эта разработка открывает путь к созданию более компактных, эффективных и доступных квантовых устройств для полевых измерений и интеграции в мобильные платформы.