Vi lever i en bullrig värld. Interferens från ljus, vibrationer, elektromagnetisk strålning och ljud kan vara irriterande; det stör vår sömn och kan störa vår elektriska utrustning.

För fysiker som studerar det mycket lilla och det mycket långt borta, buller kan vara en deal-breaker. För att minska det, de behöver ofta komma på stora, dyra lösningar.

De var tvungna att bygga världens största och mest kraftfulla partikelaccelerator för att se den lilla signalen från Higgs Boson-partikeln, och världens längsta och känsligaste linjal för att se gravitationsvågor. Forskare måste skicka teleskop ut i rymden för att undvika bruset från vår atmosfär om de ska se detaljerna i de mest avlägsna galaxerna.

Men lösningen är inte alltid i så stor skala. I ny forskning publicerad i Naturfysik , en grupp fysiker från University of Melbourne har hittat ett sätt att minska bruset som upplevs av kvantsensorer bara genom att snurra dem.

Kvantsensorer är mycket känsliga och bland deras många lovande applikationer inleder de en ny era av MRI (Magnetic Resonance Imaging) som gör de små detaljerna i celler och proteiner synliga.

En särskilt lovande kvantsensor är kvävevakanscentret (NV), finns i diamanter. Detta är ett fel på atomnivå, där en kväveatom ersätter en kolatom, fånga elektroner i ett kvanttillstånd.

"En elektron är i grunden en stavmagnet, " säger Dr Alexander Wood från School of Physics vid University of Melbourne, som var första författare på Nature Physics tidningen.

"Den har en nordpol och en sydpol. Och om vi sätter en elektron i ett magnetfält, det kommer att snurra väldigt snabbt."

Men elektronerna i NV-centra är inte de enda magneterna i en diamant.

"I en diamant har du två sorters kol. De flesta är vad som kallas kol-12, vilket är ganska tråkigt, säger Dr Wood.

"Dock, ungefär 1 av 100 kolatomer är en kol-13. Den har en extra neutron.

"Som elektroner, kärnan i var och en av dessa kol-13-atomer är som en liten stångmagnet. Och, som en stångmagnet, om du lägger en kärna av kol-13 i ett magnetfält, den snurrar."

Kvanttillstånd förlitar sig på en egenskap som kallas koherens, som är känslig för omgivningsljud som kan leda till förlust av kvanttillståndet, känd som avfasning. Docent Andy Martin, som ledde den australiensiska forskningsrådets finansierade studien, säger att det är svårt att upprätthålla kvanttillståndet för NV-centra.

"Ett kvanttillstånd är bräckligt. Det är bräckligt för magnetfältet i synnerhet. Om du har fluktuationer i magnetfältet kommer det att fasa ned kvantsensorn."

Att upprätthålla kvanttillståndet är nyckeln till att använda NV-system som kvantsensorer i miljöer i nanoskala

Professor Hollenberg, som leder en forskargrupp vid University of Melbourne om kvantsensorer, liknar kvanttillståndet med en bubbla.

"Om din miljö är taggig, då kommer kvanttillståndet inte att vara särskilt länge. Men om din miljö är mindre taggig, den bubblan kommer att hålla mycket längre, " han säger.

"Detta är principen genom vilken vi kan känna av miljön runt NV-centret i extremt liten skala och hög känslighet."

I studien, forskare försökte minska effekten av avfasning genom att snabbt rotera hela systemet.

"Den snurrande atomstångsmagnetiken hos kol-13-atomerna skapar taggar i magnetfältet - de interagerar med NV-centra, påverkar dess koherens och förmåga att känna, säger docent Martin.

Att minimera bruset från kol-13 ökar känsligheten hos kvantsensorer, vilket borde leda till större insikter i världen på nanoskala.

Detta kan uppnås med hjälp av syntetiskt framställda och dyra isotopiskt rena kol-12-diamanter, eller genom att stoppa kol-13-atomerna från att snurra. Problemet med att stoppa kol-13-spinningen är att NV-centrumelektronerna också skulle sluta snurra, och denna spinning är avgörande för hur dessa kvantsensorer fungerar.

Lösningen är att lura NV-centret att tro att atomstångsmagneterna för kol-13-atomerna har slutat snurra.

För att göra detta, arbetar i professor Robert Scholtens laboratorium, använde en teknik från klassisk fysik. Det handlar om att rotera hela diamanten i höga hastigheter.

"I det magnetiska fält som vi vanligtvis använder, Atomstångsmagneter i NV-centra kommer att snurra cirka 2,8 miljarder gånger per sekund, medan kol-13 kommer att snurra cirka 5, 000 gånger per sekund, säger Dr Wood.

"Eftersom det redan snurrar så fort, om vi roterar hela diamanten vid 5, 000 gånger per sekund, NV-centrets atomstångsmagnet påverkas inte.

"Men kol-13-atomerna påverkas. Och eftersom NV-centret och kol-13 nu är i samma referensram, roterar vid 5, 000 gånger i sekunden i samma riktning som kolatomerna snurrar, det betyder att NV-centret ser kol-13 som i huvudsak stationärt.

"Så du kan effektivt avbryta magnetfälten från kol-13 som dessa sensorer ser genom att placera din sensor och kol-13 inuti samma roterande ram."

"Vad vi har här är en miljö som när du inte roterar är ganska taggig. Och när du roterar den, det blir mindre taggigt, öka livslängden för kvanttillståndet, säger docent Martin.

Baserat på detta skulle vi anta att den optimala precisionen skulle inträffa när diamanten snurrade i exakt samma hastighet som kol-13. Men forskarna fann att så inte var fallet.

"Du kan förvänta dig att sensorns kvantitet kommer att gå upp och upp tills kol-13-snurren fryser i den roterande ramen, men när vi kommer närmare den frusna ramen, koherensen börjar sjunka, eftersom kol-13 börjar interagera med varandra, lägga till brus tillbaka i systemet, säger Dr Wood.

Forskarna har bestämt vilket pseudofält som ger störst minskning av buller från cabon-13-snurrarna.

"Den söta punkten verkar vara i ett totalt magnetfält – vilket är kombinationen av det normala fältet och det roterande rampseudofältet – av en Gauss, vilket motsvarar att sensorn ser kolet snurra cirka 1000 gånger per sekund, säger Dr Wood.

"Gauss är ett mått på magnetisk flödestäthet, eller magnetfältstyrka. Till exempel, en kylskåpsmagnet är cirka 100 Gauss och jordens magnetiska fältstyrka är cirka en halv Gauss."

Även om denna teknik snart kan användas för att förbättra precisionen hos kvant-MR-skannrar, Docent Martin säger att det också kan hjälpa att svara på några grundläggande frågor inom fysik.

"Till exempel, kvantsensorer kan hjälpa till att svara på frågor som; när blir en vätska en vätska?" säger han.

"Ta en vattenmolekyl, det är inte en vätska. Ta två vattenmolekyler, det är inte heller en vätska. Vid någon tidpunkt blir det en vätska och allt har att göra med den skala som du sonderar. Och du kan bara titta på det om du kan sondera ner till de skalorna.

"Nu har du dessa sensorer baserade på kvävedefekter i diamanter. De behöver inte vara en stor diamant som en diamantring, de kan vara nanokristaller. De kan vara extremt små.

"Så du börjar ha dessa enheter som kan mäta translationell och, nu, rotationsrörelse. Det ger dig en sond på dessa mycket små skalor, inte bara i termer av magnetfält utan i termer av translations- och rotationsrörelse."