No ārpuses tas izskatās kā neliela, kompakta kastīte, ko var paņemt vienā rokā, bet iekšpusē mīt kvantu detektors, mikroviļņu ģenerators, lāzers un borta dators. Aiz necilās ārienes slēpjas vairāk nekā desmit gadu ilgi pētījumi, kvantu fizika, dimanta kristāli, starptautiska sadarbība ar Eiropas lielākajiem aizsardzības uzņēmumiem un jautājums, kas mūsdienās kļūst arvien aktuālāks, – kā precīzi noteikt atrašanās vietu brīdī, kad globālā pozicionēšanas sistēma (GPS) vairs nav uzticama.
Latvijas Universitātes (LU) Eksakto zinātņu un tehnoloģiju fakultātes Lāzeru centrā izstrādātais kvantu magnetometrs ir viens no piemēriem, kā fundamentālā zinātne pārtop praktiski izmantojamā tehnoloģijā. Eiropas Aizsardzības fonda projektā radītās ierīces prototips spēj noteikt magnētiskā lauka stiprumu un virzienu trīs dimensijās, un nākotnē to varētu izmantot navigācijai situācijās, kad GPS tiek traucēta vai nav pieejama.
Taču šis stāsts nesākās Eiropas Aizsardzības fonda projektā. Lai saprastu, kā LU pētnieki nonāca līdz šim prototipam, jāatgriežas vairāk nekā desmit gadu senā pagātnē.
No fundamentālajām zinātnēm līdz tehnoloģijām
LU magnetometra stāsts aizsākās pirms vairāk nekā desmit gadiem laboratorijā, pētot kvantu koherentos efektus – parādības, kas palīdz izprast, kā kvantu objekti vienlaikus var atrasties vairākos stāvokļos. Šī ir joma, kurā LU Lāzeru centrs strādā jau gadiem un kurā uzkrāta starptautiski atzīta kompetence, nostiprināta vairākās monogrāfijās, tostarp Oksfordas un Kembridžas universitāšu izdevniecībās.
"Vēl pavisam nesen bijām pārliecināti, ka nodarbojamies ar fundamentālajām zinātnēm. Pēkšņi kvantu tehnoloģijas ir kļuvušas par realitāti," pauž Lāzeru centra vadošais pētnieks profesors Mārcis Auziņš.
Viens no pētniecības virzieniem saistīts ar dimanta kristālos veidotiem defektiem, kas kvantu fizikā kļūst par ļoti jutīgiem sensoriem. Ar šo virzienu LU komanda strādā jau aptuveni 12 gadus, un tieši šis ilgstošais fundamentālais darbs ļāvis izstrādāt magnetometra prototipu, kas šogad jūnijā tika nogādāts uz Parīzi Eiropas Aizsardzības fonda projekta noslēguma demonstrācijai. Būtiska priekšrocība bija iepriekš uzkrātā pieredze – Lāzeru centrā jau ilgstoši tika pētīti līdzīgi kvantu efekti atomos. Atomu pētījumos iegūtās zināšanas izrādījās noderīgas arī darbā ar dimanta defektiem, jo to fizikālās īpašības daudzējādā ziņā ir līdzīgas.
Magnetometra attīstības stāsts cieši savijies ar viena pētnieka profesionālo izaugsmi. LU pētnieks Reinis Lazda Lāzeru centrā nonāca bakalaura studiju laikā. Šogad jūnija sākumā profesora Mārča Auziņa vadībā aizstāvētais promocijas darbs "Dimantu slāpekļa-vakances centru enerģijas līmeņu supersīkstruktūras mijiedarbība ar lāzera un mikroviļņu starojumu magnētiskajos laukos" apkopo vairāk nekā desmit gadu pētījumus par dimanta kvantu sistēmām, kas kļuvuši par pamatu arī magnetometra attīstībai.
"Promocijas darbā iekļauti sākumā veiktie fundamentālie pētījumi: kā dimants spīd, kā tajā parādās smalkākas struktūras, kā tas uzvedas magnētiskajā laukā un kā konkrētais defekts mijiedarbojas ar citiem defektiem dimantā," skaidro Lazda. Tieši šie fundamentālie pētījumi pavēra ceļu pirmajiem lietišķajiem projektiem.
Pirmais nozīmīgais solis uz tehnoloģijas praktisku izmantošanu tika sperts projektā ar Eiropas Kosmosa aģentūru, kurā LU komandai bija jāparāda, ka fundamentālajos pētījumos iegūtās zināšanas iespējams pārvērst kompaktā vektoru magnetometrā magnētiskā lauka mērījumiem.
Pēc projekta noslēguma interesi par to izrādīja arī Latvijas Aizsardzības ministrija, norādot, ka izstrādātā tehnoloģija varētu noderēt arī citiem mērķiem. Tā LU tika uzrunāta plašākam Eiropas Aizsardzības fonda projektam – ar kopējo finansējumu 27,4 miljoni eiro un partneriem no vairākām Eiropas valstīm, kur vadošais partneris ir franču aizsardzības industrijas gigants "Thales". Lai gan projektam bija atvēlēti tikai trīs gadi ar pusgada pagarinājumu, LU komandai šajā laikā izdevās izstrādāt un partneriem demonstrēt funkcionējošu ierīces prototipu.
"Tie ir ļoti nopietni partneri – lieli aizsardzības uzņēmumi no Francijas, Vācijas un Itālijas, kā arī vairākas akadēmiskās iestādes," uzsver Auziņš. Katram dalībniekam bija sava specializācija – no optiskajām sistēmām un lāzera līdz dimanta apstrādei, mikroviļņu antenām un detektēšanas sistēmām. "LU uzdevums bija izveidot prototipu un parādīt, ka tas darbojas. Tas nozīmēja apvienot visas eksperimentālās sistēmas vienā strādājošā iekārtā," skaidro Lazda.
Mazs dimants, kas dara lielu darbu
Lai saprastu, kas šo magnetometru padara tik jutīgu, jāieskatās tā darbības pamatā.
Ierīces sirdī ir tikai dažus milimetrus liels dimanta kristāls. Pētniekiem būtiskākais nav pats dimants, bet tajā izveidotie slāpekļa-vakances jeb NV centri – kvantu sistēmas, kurās viens slāpekļa atoms aizņem oglekļa atoma vietu kristāla režģī un atrodas blakus tukšai vietai (kristāla režģa vakancei). Tieši šie defekti ir ārkārtīgi jutīgi pret magnētisko lauku un ļauj noteikt tā stiprumu un virzienu.
"Svarīgākais ir tas, ka dimantā var veidoties defekti ar interesantām īpašībām," skaidro Lazda. Dimants vienlaikus ir izturīgs, stabils un netoksisks – tas spēj darboties visdažādākajos apstākļos, tostarp gan ekstremālā vidē, piemēram, kosmosā, gan istabas temperatūrā, savukārt daudziem citiem risinājumiem nepieciešama sarežģīta dzesēšanas infrastruktūra. Nelielais kristāls nav lēts, taču pats materiāls ir tikai viena daļa no tehnoloģijas, kuras izstrādei bijuši nepieciešami vairāk nekā desmit gadu pētījumi.
Ierīce gadu gaitā kļuvusi arvien kompaktāka – pirmais prototips, ko LU nodeva Eiropas Kosmosa aģentūrai, bija skapja atvilktnes lielumā ar atsevišķu temperatūras kontrolieri un strāvas avotu blakus. Mērķis bija panākt, lai ierīce būtu pēc iespējas mazāka, vienlaikus nezaudējot precizitāti, un tieši šo līdzsvaru ar katru nākamo versiju izdevies uzlabot. Parīzē demonstrētais prototips jau bija neliela četrstūra formas kastīte ar iebūvētu bateriju, kas darbojās pilnīgi patstāvīgi.
Ceļš uz Parīzi
Parīzē LU komandai bija jādemonstrē izstrādātais prototips projekta partneriem, Eiropas Aizsardzības fonda un Eiropas Komisijas pārstāvjiem. Taču ceļā uz Franciju neiztika arī bez negaidīta starpgadījuma: iebūvēto bateriju aviopārvadātājs atteicās sūtīt kā parastu kravu, jo tā tika atzīta par bīstamu un to drīkstēja pārvadāt tikai ar īpašu sertifikāciju. Par laimi, ierīcei ir paredzēta iespēja to pieslēgt arī ārējam barošanas avotam, un tieši šajā (bez baterijas) komplektācijā tā Parīzē tika sekmīgi demonstrēta.
Pati demonstrācija bija brīdis, kad kļuva skaidrs, vai laboratorijā izstrādātais patiešām strādā tā, kā paredzēts. Lazda atceras arī epizodi, kad kādas Eiropas valsts aizsardzības ministrijas pārstāvis pienāca klāt un sarunas laikā teica, lai viņš pagriež testa magnētu otrādi – ekrānā redzamajai bultiņai, kas norāda lauka virzienu, vajadzētu apgriezties pretējā virzienā.
"Ne reizi nebiju iedomājies, ka to var pārbaudīt tieši tā. Es lēnām pagriezu magnētu, un bultiņa ekrānā tiešām pagriezās līdzi. Man bija tāds pārsteiguma brīdis – šī lieta dara tieši to, kas tai jādara," atceras Lazda.
Kāpēc tieši Latvijas Universitāte?
Veiksmīgā demonstrācija Parīzē liek uzdot kādu svarīgu jautājumu – kāpēc tieši LU izdevās nonākt līdz šādam ierīces prototipam?
Pēc Auziņa domām, dalība Eiropas drošības tehnoloģiju projektos ir svarīga ne tikai konkrētā projekta rezultāta dēļ, bet arī visas Latvijas zinātnes attīstībai. "Manā skatījumā tas ir acīmredzami. Tas, ko spējam izdarīt, balstās ļoti spēcīgā fundamentālā zinātnē. Šīs zināšanas nevar nopirkt un dažu mēnešu laikā atkārtot," uzsver Auziņš. Viņš norāda, ka "Thales" ir miljardu kompānija, ar kuru LU nekad nekonkurēs finansiāli, un ka arī citi lielie uzņēmumi teorētiski varētu šādas tehnoloģijas attīstīt paši. Taču izšķirošais bieži vien ir nevis nauda, bet laiks.
Arī starptautiskā konkurence apliecina, ka kvantu magnetometru attīstība nav vienkāršs uzdevums. Lazda stāsta, ka arī Vācijas tehnoloģiju uzņēmums "Bosch" pirms vairākiem gadiem publiskojis telefona izmēra magnētiskā lauka sensora prototipu, kas balstīts uz dimanta kristāliem. Taču publiski nav zināma šī risinājuma veiktspēja, un brīvi pieejams produkts tirgū joprojām nav parādījies. Pēc Lazdas domām, tas apliecina, ka arī uzņēmumiem ar ievērojamiem resursiem ceļš no prototipa līdz gatavai kvantu tehnoloģijai nav ātrs.
Lai gan magnetometri magnētiskā lauka mērīšanai tiek izmantoti jau vairāk nekā simts gadus – no ģeoloģijas un aviācijas līdz kosmosa izpētei un navigācijai –, tieši kvantu tehnoloģijas paver jaunas iespējas arī šajā jomā. LU ieguldījums nav jauna mērīšanas principa radīšana, bet gan kvantu tehnoloģijā balstīta sensora izstrāde, kas ļauj magnētisko lauku noteikt daudz kompaktāk un ar augstu precizitāti.
Stāsts, kas turpinās
Eiropas Aizsardzības fonda projekts ir noslēdzies, taču ar Parīzi nekas vēl nebeidzas. LU Lāzeru centrā aptuveni 20 pētnieku komanda turpina strādāt vairākos virzienos, kas balstās tajā pašā dimanta sensoru tehnoloģijā.
Viens no virzieniem ir precīzu magnētiskā lauka mērījumu izmantošana kā alternatīva GPS. LU pētnieki to jau pārbaudījuši praksē – sadarbībā ar Rīgas Valsts 1. ģimnāzijas skolēniem tika izveidota magnētiskā lauka karte, kas ļāva noteikt mazas mobilas platformas – rotaļu mašīnītes jeb robota – atrašanās vietu telpā. Ideja demonstrēta arī NATO daudznacionālās brigādes organizētajā viesu dienā Ādažos un LU Zinātnieku naktī, parādot, ka magnētiskais lauks nākotnē varētu kļūt par orientēšanās instrumentu situācijās, kad GPS nav pieejama.
No tās pašas tehnoloģijas izaug arī citi pētījumu virzieni – magnētiskie sakari vidēs, kur nedarbojas radiosignāli, piemēram, zem ūdens vai alās, bezkontakta strāvas mērīšana ar dimanta sensoriem un kvantu nejaušo skaitļu ģeneratori drošai šifrēšanai.
Tālākā nākotnē no šī paša pamatpētījuma varētu tapt arī pirmais Latvijā izstrādātais kvantu dators, kura pamatā būtu atsevišķi, precīzi kontrolēti defekti dimanta kristālā. Lai gan LU Datorikas nodaļā jau ir neliels Ķīnā ražots kvantu dators, šādas pašu izstrādātas iekārtas Latvijā vēl nav.
Taču magnetometra prototips, kas aizceļoja uz Parīzi, jau pašlaik apliecina, ka gadiem ilgi fundamentālie pētījumi LU var pārtapt praksē izmantojamā tehnoloģijā Eiropas mērogā. "Bez fundamentālajiem pētījumiem mums nebūtu šīs iespējas," uzsver Auziņš. Savukārt Lazda piebilst: "Kad uztaisa prototipu un tas strādā – tas ir labākais brīdis!"
Noslēgumā Lazda uzsver, ka magnetometra izstrāde bijusi Lāzeru centra komandas darbs. Viņš pateicas LU par sniegtajām iespējām un kolēģiem par sadarbību un atbalstu, īstenojot šo un citus projektus. Īpašu pateicību viņš velta Valtam Krūmiņam, Annai Veronikai Priedei, Alisei Cirsei, Oskaram Rudzītim, Evai Graudai, Tīnai Ancei Jansonei, Monai Jani, Florianam Helmutam Gābaueram, Mārim Tamanim, profesoriem Ruvinam Ferberam un Mārcim Auziņam, kā arī Lāzeru centra vadītājam Artūram Mozeram.
