Ingenieurs van UC Berkeley hebben een apparaat ontwikkeld dat de energie die nodig is om magnetische velddetectoren van stroom te voorzien, drastisch vermindert. die een revolutie teweeg kan brengen in de manier waarop we de magnetische velden meten die door onze elektronica stromen, onze planeet, en zelfs ons lichaam.

"De beste magnetische sensoren die er tegenwoordig zijn, zijn omvangrijk, alleen werken bij extreme temperaturen, en kan tienduizenden dollars kosten, " zei Dominic Labanowski, die hielpen bij het maken van het apparaat, die is gemaakt van met stikstof doordrenkte diamanten, als postdoctoraal onderzoeker bij de vakgroep elektrotechniek en informatica. "Onze sensoren zouden die moeilijker te gebruiken sensoren in veel toepassingen kunnen vervangen, van navigatie tot medische beeldvorming tot exploratie van natuurlijke hulpbronnen."

Elke keer dat een op diamanten gebaseerde sensor een magnetisch veld meet, het moet eerst worden gestraald met 1 tot 10 watt microgolfstraling om ze te primen om gevoelig te zijn voor magnetische velden, wat voldoende vermogen is om elektronische componenten te smelten. De onderzoekers hebben een nieuwe manier gevonden om minuscule diamanten te prikkelen met microgolven die 1000 keer minder stroom verbruiken. waardoor het mogelijk wordt om magnetische sensoren te maken die in elektronica zoals mobiele telefoons passen.

Dit werk werd geleid door het laboratorium van Sayeef Salahuddin aan de UC Berkeley in samenwerking met onderzoekers van de Ohio State University. Het team rapporteert hun apparaat online op 7 september in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Defecte diamanten

Een diamant bombarderen met een straal stikstofgas kan enkele van zijn sterk geordende koolstofatomen uitschakelen, vervangen door stikstofatomen. Deze stikstofindringers, stikstofleegstandcentra (NV) genoemd, hebben unieke eigenschappen die goed worden begrepen door wetenschappers.

"Je kunt deze NV-centra gebruiken als zeer krachtige sensoren, maar traditioneel zijn hun toepassingen beperkt omdat het veel kracht kost om ze te lezen, ' zei Labanowski.

Om magnetische velden te detecteren, wetenschappers moeten eerst de NV-centra treffen met krachtige microgolfstraling, gelijk aan ongeveer een honderdste van het vermogen van uw standaard magnetron of tien keer het stroomverbruik van een gemiddelde mobiele telefoon. Vervolgens verlichten ze de NV-centra met een laser, die wordt geabsorbeerd en uitgestoten door de stikstofatomen.

De sterkte van het magnetische veld is gerelateerd aan de sterkte van het uitgezonden laserlicht:de intensiteit van het uitgezonden licht kan gebruikt worden om de veldsterkte te meten

Om het apparaat te maken, de onderzoekers plaatsten diamanten nanokristallen - die elk duizenden NV-centra bevatten - op een film die een multiferroïcum wordt genoemd. Dit nieuwe type materiaal is in staat om veel efficiënter microgolfenergie naar de kristallen over te dragen.

"Deze techniek verlaagt het stroomverbruik van de sensoren drastisch en maakt ze bruikbaar voor realistische toepassingen, ' zei Labanowski.

Beeldvorming in het lichaam en onder de aarde

Medische toepassingen van magnetische sensoren zijn onder meer magneto-encefalografie, die magnetische velden gebruikt om hersengolven te meten, of magnetocardiografie, die magnetische velden gebruikt om de hartfunctie in beeld te brengen. Momenteel zijn deze machines zo groot als een kleine kamer en kunnen ze meer dan $ 3 miljoen kosten.

"Met NV-sensoren met laag vermogen, je kunt je voorstellen dat je een magneto-encefalografiemachine ter grootte van een kamer neemt en er een soort helm van maakt, drastisch verminderen van de omvang en de kosten, ' zei Labanowski.

De sensoren kunnen ook in vliegtuigen of drones worden geplaatst om zeldzame aardmetalen ondergronds te spotten, of gebruikt in mobiele telefoons om de navigatie te verbeteren.

Magnetische velddetectie is slechts één toepassing van NV-centra, zegt Salahuddin. Het team is van plan hun technologie te verfijnen om NV-centra en andere soorten kwantumsystemen in een breed scala aan toepassingen te gebruiken.

"Terwijl we de nadruk legden op magnetische velddetectie, ons werk zou kunnen leiden tot elektrische manipulatie van kwantumsystemen in het algemeen met veel bredere toepassingsgebieden, waaronder kwantumcomputing, ' zei Salahuddin.