Пара виноградин вдвое усилила магнитное поле, и открыла путь к лучшим квантовым датчикам

В интернете полно видеороликов с виноградинами, буквально зажигающими в микроволновой печи. Разрезанная на две половинки ягода при включении микроволновки начинает искрить и вскоре ярко вспыхивает, демонстрируя опасные на первый взгляд эффекты. Казалось бы — сплошное развлечение, однако вдумчивый эксперимент показал, что за явлением стоит интересная физика, способная дать толчок в развитии квантовых детекторов.

Источник изображения: Fawaz, Nair, Volz

Впервые любительские эксперименты с поджиганием виноградин начались в 1994 году. Все они были одинаковы — виноградина разрезалась на две половинки так, чтобы они оставались соединены тонкой кожицей. Позже выяснилось, что это не обязательно. Достаточно, чтобы половинки или целые виноградины оставались рядом. Более того, аналогичный эффект в микроволновке проявляли крыжовник, большие ягоды ежевики и гидрогелевые шарики.

Во всех случаях физика была примерно одинаковая. Плотность винограда, например, оказывалась оптимальной, чтобы происходил разрыв клеток с последующей ионизацией молекул и их разрывами. Клеточная жидкость сама по себе электролит — содержит ионы, к которым добавлялись ионы, образующиеся под действием микроволнового излучения. Виноградины начинали испускать плазму, которая в потоке излучения воспламенялась.

В ходе очередного эксперимента в 2019 году выяснилось, что виноградины не обязательно должны быть соединены физически. Эффект проявляется, если они находятся рядом. В новой работе учёные поставили более тонкий эксперимент — они измеряли силу электромагнитного поля вблизи виноградин и без них. Для этого был изготовлен искусственный наноалмаз с азотными дефектами в кристаллической решётке. Дефекты реагировали на свет зелёного лазера, и по интенсивности их свечения можно было определить интенсивность микроволнового поля вблизи этого датчика.

Наноалмаз поместили на волновод, по которому передавался импульс зелёного лазера. Над наноалмазом разместили пару виноградин. Измерения показали, что в присутствии виноградин поле демонстрировало в два раза большую силу, чем без них. Это объясняется тем, что в случае оптимального размера ягод (около 27 мм в длину), пара создаёт «горячую точку» между одной и другой ягодой, усиливая приложенное излучение и повышая вблизи точки силу поля.

На обнаруженном эффекте можно создать целый спектр высокочувствительных датчиков для космоса, работающих в микроволновом диапазоне, включая поиск гипотетических частиц тёмной материи. Также открытие поможет продвинуться в квантовых вычислениях, где микроволновые излучения и поля играют ключевую роль. Но прежде необходимо сузить рамки эксперимента для выяснения более точных параметров элементов будущих датчиков. Поставленный эксперимент был достаточно грубым и не очерчивает границ возможного.