This post is also available in:
English (אנגלית)
זיהוי של חומר כימי או ביולוגי לא מוכר דורש בדרך כלל ציוד מעבדה מתקדם, דבר שיוצר בעיה כאשר החומר מתגלה בשטח. לעיתים יש צורך לאסוף דגימות, להעביר אותן למעבדה ולנתח אותן לפני שהכוחות יודעים עם מה הם מתמודדים – ואיזו רמת מיגון נדרשת.
חוקרים במעבדה לפיזיקה יישומית של אוניברסיטת ג'ונס הופקינס (APL) בוחנים אם חישה קוונטית תוכל לצמצם את התהליך הזה למכשיר שגודלו בערך כשל מחשב נייד.
הטכנולוגיה מבוססת על ספקטרוסקופיית תהודה מגנטית גרעינית (NMR), שיטת מעבדה המשמשת לזיהוי חומרים באמצעות בחינת המבנה המולקולרי שלהם. מערכות NMR קונבנציונליות מפעילות שדות מגנטיים חזקים על גרעיני אטומים ומודדות את האותות שנוצרים כאשר הספינים שלהם מגיבים לשדה.
אותות אלה יכולים לספק מידע מפורט על מבנה המולקולה, אך הציוד הנדרש לכך הוא בדרך כלל גדול ומורכב. מערכות מסורתיות עשויות להסתמך על מגנטים מוליכי־על, קירור קריוגני ודגימות גדולות יחסית, ולכן אינן מעשיות לנשיאה על ידי חיילים או צוותי חירום.
הגישה החדשה מחליפה חלק גדול מהתשתית הזו בחיישנים קוונטיים המבוססים על מרכזי חנקן־חלל (NV) ביהלום.
על פי דיווח של Interesting Engineering, מרכז NV הוא פגם זעיר במבנה האטומי של היהלום, שנוצר כאשר אטום חנקן מחליף אטום פחמן בסמוך למקום פנוי בסריג הגבישי. הפגמים הללו רגישים במיוחד לשדות מגנטיים בסביבתם.
כאשר מאירים את המרכז בלייזר ירוק, הוא פולט אור אדום. החוקרים יכולים לנתח את האור הזה כדי לקבוע את מצב הספין הקוונטי שלו, ומתוך כך לזהות את החתימות המגנטיות החלשות שמייצרים גרעיני אטומים סמוכים.
השיטה עשויה לאפשר בעתיד ניתוח של דגימות המכילות עשרות או מאות אטומים בלבד, ובכך לצמצם באופן דרמטי את כמות החומר הדרושה לבדיקה.
האתגר המרכזי נותר הרגישות. הספינים הגרעיניים הסמוכים לפני השטח של היהלום צריכים להישאר ניתנים לזיהוי למשך זמן מספיק כדי להפיק מהם מידע שימושי. כדי להתמודד עם הבעיה, החוקרים הציעו ליצור "ננו־מכלים" מיקרוסקופיים ישירות על גבי היהלום, שיכלאו פיזית את הדגימה בסמוך לחיישן.
סימולציות מצביעות על כך שאחת הגיאומטריות המוצעות עשויה לשפר את הרגישות והדיוק של מדידות NMR בערך בסדר גודל. הצוות עובד כעת על ייצור המבנים ועל בדיקה אם ניסויים במעבדה יאשרו את התחזיות הללו.
חיישן ראשוני להוכחת היתכנות כבר מסוגל למדוד שדות מגנטיים באמצעות מצבי הספין של מרכזי NV, אך טרם הודגמה יכולת מעשית בשטח לזיהוי איומים כימיים או ביולוגיים.
אם הפיתוח יצליח, הטכנולוגיה עשויה להעניק לכוחות צבאיים כלי נייד להערכת חומרים חשודים בסמוך למקום שבו התגלו. במקום לשחזר בשטח את כל היכולות של מעבדה, המכשיר יוכל לסייע במענה על שאלות מיידיות יותר: האם החומר מסוכן, מה הוא עשוי להיות ואיזה מיגון נדרש מולו?
לטכנולוגיה עשויים להיות גם יישומים בניטור סביבתי, בניווט ללא GPS ובתקשורת בתדרים נמוכים.
בשלב זה, המשימה המרכזית היא לשפר את הרגישות של NMR בקנה מידה ננומטרי. אם הדבר יצליח, שיטה לניתוח כימי המזוהה כיום עם ציוד מעבדה גדול עשויה בעתיד להפוך למערכת שאנשי השטח יכולים לשאת איתם ישירות אל מקום האיום.
