Установка сверхчувствительных квантовых датчиков в живую клетку — многообещающий способ отслеживания роста клеток и диагностики заболеваний, даже раковых, на их ранних стадиях.

Многие из лучших и мощнейших квантовых датчиков могут быть созданы из маленьких кусочков алмаза, но это приводит к другой проблеме: трудно поместить алмаз в ячейку и заставить его работать.

"Для всех тех процессов, которые вам действительно нужно исследовать на молекулярном уровне, вы не можете использовать что-то очень большое. Вы должны проникнуть внутрь клетки. Для этого нам нужны наночастицы", - сказал кандидат наук из Школы молекулярной инженерии Притцкеровской школы Чикагского университета Ури Цви. "Люди и раньше использовали нанокристаллы алмаза в качестве биосенсоров, но обнаружили, что они работают хуже, чем мы ожидали. Значительно хуже."

Цви является первым автором статьи, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, которая решает эту проблему. Вместе с исследователями из Чикагского университета и Университета Айовы Цви объединил знания из клеточной биологии, квантовых вычислений, традиционных полупроводников и телевизоров с QLED, чтобы создать революционный новый квантовый биодатчик. В процессе они пролили свет на давнюю загадку в области квантовых материалов.

Заключив алмазную наночастицу в специально разработанную оболочку — технология, вдохновленная телевизорами QLED, — команда ученых не только создала квантовый биосенсор, идеально подходящий для живой клетки, но и открыла новые возможности для модификации поверхности материала для улучшения его квантовых свойств.

«Это уже одно из самых чувствительных устройств на Земле, и теперь они нашли способ еще больше улучшить его в различных условиях», — сказал научный руководитель Цви, профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Аарон Эссер-Кан, соавтор статьи.

Ячейка, полная бриллиантов!

Кубиты, размещённые в алмазных нанокристаллах, сохраняют квантовую когерентность даже тогда, когда частицы достаточно малы, чтобы их могла «поглотить» живая клетка — хорошая метафора: клетка их проглатывает и «жует», не выплёвывая. Но чем меньше алмазные частицы, тем слабее квантовый сигнал.

"Какое-то время людей волновало, что эти квантовые датчики могут быть встроены в живые клетки и, в принципе, быть полезными в качестве сенсоров", - сказал профессор Учикаго. Профессор Питер Маурер, соавтор статьи. "Однако, хотя такого рода квантовые датчики внутри большого куска объемного алмаза обладают действительно хорошими квантовыми свойствами, когда они находятся в алмазах, когерентные свойства, квантовые свойства, на самом деле значительно снижаются".

В этой ситуации Цви обратился за вдохновением к неожиданному источнику — телевизорам с квантовыми точками (QLED). QLED-телевизоры используют яркие флуоресцентные квантовые точки для передачи насыщенных и ярких цветов. В первые дни цвета были яркими, но нестабильными — они могли внезапно мерцать и пропадать.

"Исследователи обнаружили, что окружение квантовых точек тщательно продуманными оболочками подавляет вредные поверхностные эффекты и увеличивает их излучение", - сказал Цви. "И сегодня вы можете использовать ранее нестабильную квантовую точку в качестве элемента вашего телевизора".

Работая с экспертом по квантовым технологиям из Школы молекулярной инженерии и Химического факультета Чикагского университета, профессором Дмитрием Талипиным, соавтором статьи, Цви предположил, что поскольку обе проблемы — флуоресценция квантовых точек и ослабленный сигнал алмазных нанокристаллов — возникли из-за состояния поверхности, аналогичный подход может сработать.

Но поскольку датчик предназначен для работы внутри живого организма, не каждая оболочка будет работать. Эссер-Кан, эксперт в области иммуноинженерии, помог разработать кремний-кислородную (силоксановую) оболочку, которая одновременно улучшала бы квантовые свойства и не давала бы иммунной системе понять, что что-то не так.

«Свойства поверхности большинства этих материалов липкие и беспорядочные так, что иммунные клетки могут распознать, что это не должно быть здесь. Они выглядят как чуждый объект для иммунной клетки», — сказал Эссер-Кан. «Объекты, покрытые силоксаном, выглядят как большой гладкий шарик воды. И поэтому тело гораздо охотнее поглощает и «жует» такие частицы».

Предыдущие попытки улучшить квантовые свойства алмазных нанокристаллов с помощью инженерии поверхности показали ограниченный успех. В результате команда ожидала лишь скромных улучшений. Вместо этого они наблюдали до четырехкратного увеличения когерентности спинов.

Это увеличение, а также 1,8-кратное увеличение флуоресценции и отдельные значительные увеличения стабильности заряда стали загадкой, как сбивающей с толку, так и захватывающей.

Ионная имплантация - это способ отделения тонкого слоя алмаза от более крупного кристалла путем бомбардировки алмазной подложки высокоэнергетическими ионами углерода, которые проникают на определенную глубину под поверхность. В результате этого процесса на алмазной подложке образуется скрытый слой, в котором нарушена кристаллическая решетка. Этот поврежденный слой эффективно действует как шов: благодаря высокотемпературному отжигу он превращается в гладкий графит, что позволяет алмазному слою, расположенному над ним, образовывать единую ультратонкую пластину.

Команда исследователей из Университета Райса разработала более простой и эффективный способ достижения эффекта отрыва: вместо высокотемпературного отжига они обнаружили, что после ионной имплантации достаточно нарастить дополнительный алмазный слой поверх подложки, чтобы поврежденный слой стал похожим на графит.

Согласно исследованию, опубликованному в журнале Advanced Functional Materials, усовершенствованная техника позволяет обойти высокотемпературный отжиг и генерирует более чистые алмазные пленки, чем оригинальные подложки. Более того, подложка при этом подвергается минимальному повреждению и может быть повторно использована, что делает весь процесс ресурсосберегающим и масштабируемым.

"Мы обнаружили, что чрезмерный рост алмазов превращает скрытый слой повреждений в тонкий графитовый слой, устраняя необходимость в энергоемком отжиге", ‑ сказал Сян Чжан, доцент кафедры материаловедения и наноинженерии в Rice и автор-корреспондент исследования. "Полученная алмазная пленка более чистая и качественная, чем исходный алмаз, и соответствует качеству электронного материала".

По словам Чжана, эти сверхчистые алмазные пленки "могут произвести революцию в электронике, создав более быстрые и эффективные устройства, или послужить основой для квантовых компьютеров, которые решают задачи, выходящие за рамки сегодняшних возможностей".

Для создания нового слоя алмаза на подложке исследователи использовали метод плазменного химического осаждения с микроволновым возбуждением, который позволяет наносить новый алмазный материал на поверхность в идеальном соответствии с подлежащим кристаллом. Ученые выдвинули гипотезу, что условия самого процесса роста достаточно для того, чтобы инициировать преобразование скрытого поврежденного слоя в графит, без необходимости в дополнительном нагреве.

Чтобы подтвердить эту теорию, команда исследовала, как изменялись границы раздела между алмазной подложкой, слоем скрытых повреждений и наросшей пленкой во время роста алмаза, используя комбинацию просвечивающей электронной микроскопии, спектроскопии потери энергии электронов, спектроскопии комбинационного рассеяния света и фотолюминесцентного картирования.

«Коррелируя атомное изображение с спектроскопическими сигналами, мы демонстрируем, что наращивание алмаза достаточно для формирования чистого графитового слоя, сохранения гладкости подложки и получения алмазных пленок электронной grade, что имеет решающее значение для квантовых технологий», — добавил Чжан.

Упрощая производство и повышая устойчивость, новый метод может способствовать разработке трансформирующих технологий на основе алмаза.

Ферромагнитные полупроводники (FMSS) представляют собой уникальное сочетание свойств полупроводников и магнитных характеристик, что делает их выдающимися кандидатами для разработки спинтронных устройств, объединяющих функции как полупроводников, так и магнитных материалов. Однако одной из ключевых задач, стоящих перед FMS, является достижение высоких температур Кюри (TC), необходимых для их стабильной работы при комнатной температуре.

Несмотря на то, что в предыдущих исследованиях удалось достичь температуры 420 К, что превышает комнатную, этого показателя недостаточно для эффективной эксплуатации материалов, предназначенных для спинтроники. Это подчеркивает необходимость повышения температуры среди FMS, что было включено в число 125 нерешенных вопросов, отобранных журналом Science в 2005 году.

Материалы, такие как (Ga, Mn)As, обладают низкой TC, что ограничивает их практическое применение в устройствах спинтроники. Хотя добавление железа в полупроводники с узкой запрещенной зоной, такие как GaSb, казалось многообещающим, использование высоких концентраций железа при сохранении кристалличности оказалось сложной задачей, что сдерживало достижение желаемой TC.

Чтобы преодолеть эти ограничения, группа исследователей под руководством профессора Фама Нам Хая из Института науки Токио (Япония) разработала высококачественный (Ga, Fe)Sb FMS, применив метод ступенчатого проточного выращивания на вицинальных подложках из GaAs (100) с углом отклонения 10°.

Их результаты были опубликованы в журнале Applied Physics Letters 24 апреля 2025 года. Использование метода ступенчатого поточного выращивания позволило достичь высокой концентрации железа при сохранении превосходной кристалличности, что привело к повышению температуры до 530 К — самого высокого показателя, зарегистрированного на сегодняшний день для FMS.

Команда использовала спектроскопию магнитного кругового дихроизма для подтверждения ферромагнетизма слоя Sb в (Ga0.76,Fe0.24), основанного на спин-поляризованной зонной структуре FMS. Кроме того, исследователи применили графики Арротта, стандартный метод экстраполяции TC на основе данных о намагниченности, что позволило более точно определить точки магнитного перехода и углубить понимание ферромагнитного поведения материала при различных температурах.

"В обычных образцах (Ga, Fe)Sb сохранение кристалличности при высоких уровнях легирования железом было постоянной проблемой. Применив технологию ступенчатого проточного выращивания на вицинальных субстратах, мы успешно справились с этой задачей и достигли самого высокого в мире показателя TC в FMSS", - утверждает профессор Хай.

Кроме того, исследователи исследовали долгосрочную стабильность своего образца, измерив магнитные свойства более тонкого слоя (Ga,Fe)Sb (9,8 нм), хранившегося на открытом воздухе в течение 1,5 лет. Несмотря на незначительное снижение TC с 530 К до 470 К, материал сохранил значительные ферромагнитные свойства, что свидетельствует о его потенциале для практического применения.

Материал также продемонстрировал высокий магнитный момент на атом железа (4,5 Мкб/атом), что близко к идеальному значению для ионов Fe³⁺ в кристаллической структуре цинковой обманки (5 Мкб/атом). Это в два раза больше, чем у металла α-Fe, что подчеркивает выдающиеся магнитные свойства данного материала.

"Наши результаты демонстрируют возможность создания высокоэффективных FMSS, совместимых с работой при комнатной температуре, что является важным шагом на пути к разработке спинтронных устройств", - добавляет профессор Хай.

В целом, исследование подчеркивает эффективность пленкообразования с использованием ступенчатого роста на вицинальных подложках для получения высококачественных и высокоэффективных FMSS с увеличенными концентрациями железа. Благодаря преодолению узкого места, связанного с низкой температурой Кюри, это исследование представляет собой значительный шаг вперед на пути к созданию полупроводниковых устройств со спиновой функцией, способных функционировать при комнатной температуре.

Время как квантовый потенциал, а не координата

Общий принцип:

Время — это не универсальный фон, а квантовый ресурс, который локально разворачивается в результате акта физического различения. Семон — это элементарная частица (или возбуждение), которая фиксирует одно из возможных временных направлений, превращая потенциальное бытие в актуальное.

Постулаты семонной теории:

Постулат 1: Временной потенциал и каузоны
• Вселенная существует как квантовая пена временного потенциала.
• Каузон — это квант времени, находящийся в нулевом временном потенциале, т.е. вне направленного течения.
• Чем больше каузонов в системе, тем выше её временная неопределённость.

Постулат 2: Семон и разворачивание времени
• Семон — это акт или квант локализации времени.
• Коллапс семона формирует векторное течение времени как поток или слой, а не как линейную ось.
• Коллапс — это выбор направления, порождающий локальную причинность.

Постулат 3: Суперпозиция как временной потенциал
• Суперпозиция — это не множественность миров, а состояние хронона с нулевым временем.
• Семон переводит это состояние в одно из двух направлений: +τ (будущее) или −τ (прошлое).
• Измерение — это акт временного различения, а не просто регистрация.

Постулат 4: Релятивистская суперпозиция
• В рамках пространства Минковского временная координата относительна.
• Семон выполняет роль локального ориентира в пространстве возможных временных потоков.

Постулат 5: Семон и причинность
• Причинность порождается семоном.
• До его появления система вне причинности.
• Коллапс семона создаёт локальную каузальную структуру.
SCCL: Экспоненциальный закон коллапса семона
SCCL (Semon Collapse Causality Law) — это закон, описывающий вероятность коллапса семона в каузон как функцию локального темпорального напряжения σ.

Основное уравнение SCCL:

P(коллапса) = 1 − exp(−Λ · σ), где:

• σ — темпоральное напряжение (направленная плотность потенциала);
• Λ — коэффициент коллапса (чувствительность системы к σ);
• P — вероятность реализации каузона.

Ключевые параметры SCCL:
• σ₀ — критический порог, ниже которого реализация невозможна;
• αₛ — коэффициент когерентности поля: чем выше, тем вероятнее коллапс;
• εₛ — минимальная энергия реализации (барьер семонного коллапса);
• hₛ — семонная постоянная Планка (определяет минимальное квантовое действие во временном поле).

Вероятности коллапса семона по закону SCCL при разных значениях когерентности поля αₛ. Видно, как при росте σ вероятность стремится к αₛ, а порог коллапса (например, P_c = 0.5) достигается быстрее при более высокой когерентности ,с обозначениями фазовых порогов σ₀ для разных уровней когерентности αₛ. Вертикальные пунктирные линии показывают, при каком значении σ коллапс становится вероятнее порогового (P_c = 0.5). Это визуализирует переход от возможности события к его реализации как каузона.

Интерпретации:

• В когерентном поле (высокий αₛ) коллапс ускоряется;
• В хаотически насыщенном поле (низкий αₛ) — подавляется;
• Масса объекта — функция его сопротивления реализации (σ недостаточен для коллапса);
• Измерение — пороговая реализация σ через SCCL.
Таким образом, SCCL уточняет механизм действия семона: он коллапсирует не произвольно, а строго по вероятностному закону, зависящему от структуры поля и направленного напряжения.

Следствия:

• Коллапс волновой функции — это коллапс семонной волны.
• Измерение — это акт выделения одного потока времени из множества.
• Будущее — это мультиверсальность направлений, возможных к реализации.
• EPR-парадокс — проявление общей семонной временной структуры.
• Время — результат квантовой локализации, а не фон.
• Вселенная — квантовая пена, где каждый семон разворачивает волну временного потенциала.
• Бытие — это не то, что происходит во времени, а то, что порождает время.

Глоссарий:

Семон — квант локализации времени, реализующий одно из возможных направлений временного потока.
Каузон — реализованный квант времени, результат коллапса семона. Формирует каузальную структуру.
Коллапс семона — акт перехода из временной суперпозиции в направленное течение времени.
SCCL (Semon Collapse Causality Law) — закон, описывающий вероятность реализации семона в зависимости от темпорального напряжения.
Темпоральное напряжение (σ) — направленная плотность временного потенциала; условие для коллапса.
Когерентность (αₛ) — согласованность семонного поля, определяющая вероятность реализации.
Порог σ₀ — минимальное значение σ, необходимое для коллапса.
Λ (лямбда) — коэффициент чувствительности SCCL к σ.
εₛ — энергетический порог реализации семона.
hₛ — семонная постоянная Планка.
Измерение — акт физического различения, выделяющий одно направление времени из суперпозиции.
Мультиверсальность времени — множество возможных направлений времени, доступных до коллапса.

Учёные, работающие с перспективным квантовым материалом, недавно сделали неожиданное открытие, которое может произвести настоящий прорыв в области электротехники и квантовых технологий. В процессе исследования кристаллической структуры данного материала было выявлено, что он самопроизвольно формирует одну из самых тонких полупроводниковых границ в мире — всего 3,3 нанометра толщиной! Для сравнения, это примерно в 25 000 раз меньше листа бумаги!

«Это было большим сюрпризом», — поделился ассистент профессора Шуолонг Ян. «Мы не ставили целью создать эту границу, но материал сам по себе образовал её, и это одна из самых тонких, что мы когда-либо видели».

Это открытие открывает новые горизонты для создания миниатюрных электронных компонентов, а также предоставляет дополнительные знания о поведении электронов в материалах, специально разработанных для квантовых приложений. Статья под названием «Спектроскопические доказательства перераспределения заряда внутри единичной ячейки в нейтральном магнитном топологическом изоляторе» была опубликована в журнале Nanoscale.

Исследователи из Притцкерской школы молекулярной инженерии Чикагского университета и Университета штата Пенсильвания сосредоточились на изучении электронных свойств материала MnBi₆Te₁₀, который принадлежит к классу топологических веществ с необычными характеристиками. Эти материалы могут позволить электричеству свободно течь по их краям без сопротивления, что делает их крайне привлекательными для потенциального использования в квантовых компьютерах и других эффективных электронных устройствах.

Однако для правильной работы таких материалов, как MnBi₆Te₁₀, важно иметь сбалансированное распределение электронов. Команда исследователей предположила, что добавление сурьмы в MnBi₆Te₁₀ поможет достичь необходимого равновесия. Обычные электрические испытания подтвердили, что материал в целом нейтрален.

Затем, применив временно-угловую разрешающую фотоэмиссионную спектроскопию (trARPES), они наблюдали за распределением электронов и изменениями их энергетических уровней в реальном времени. Результаты оказались неожиданными: в каждой повторяющейся ячейке кристалла, состоящей всего из нескольких атомов, электроны распределялись неравномерно, образовывая миниатюрные электрические поля.

«В идеальном квантовом материале необходимо добиться действительно равномерного распределения зарядов, — отметил аспирант Хан Дуй Нгуен. — Наблюдение за этим неравномерным распределением может указывать на сложности в достижении квантовых приложений так, как планировалось изначально, но также открывает новые возможности».

Эти небольшие области функционировали как p-n переходы, которые представляют собой тип полупроводникового соединения с внутренними электрическими полями и используются в таком повседневном оборудовании, как телефоны и компьютеры. Однако в отличие от традиционных p-n переходов, эти формируются естественным образом внутри кристаллической структуры.

Более того, естественно образующийся p-n переход оказывается высокочувствительным к свету, что может открыть новые пути для электроники следующего поколения, включая спинтронику — технологию манипулирования данными с использованием магнитного спина электрона.

При моделировании процессов внутри кристалла MnBi₆Te₁₀, исследователи гипотетически объяснили, как формируются эти p-n переходы, предполагая, что добавление сурьмы приводит к обмену между атомами марганца и сурьмы, вызывая различия в заряде по всему материалу.

Хотя это открытие добавляет определенные сложности в усовершенствование материала для использования с квантовыми эффектами, оно также открывает новые возможности в сфере электроникна тонких пленок, вместо крупных трехмерных кристаллов, что обеспечит более точное управление поведением электронов и усовершенствование выхода этих крошечных p-n переходов.

«Это снова подчеркивает важность фундаментальных научных исследований и открытости к тем направлениям, куда они могут привести», — заключил Ян. «Мы начали с одной цели и нашли сюрприз, который перенаправил нас в совершенно увлекательное направление».