Wetenschappers van de ITMO University en het Lebedev Physical Institute van de Russische Academie van Wetenschappen hebben een nieuwe microgolfantenne voorgesteld die een uniform magnetisch veld in een groot volume creëert. Het is in staat om uniform, coherente aanpak van de elektronische spins van een ensemble van nanodiamantstructuurdefecten. Dit kan worden gebruikt om supergevoelige magnetische velddetectoren te maken voor magneto-encefalografie bij de studie en diagnose van epilepsie en andere ziekten. De resultaten zijn gepubliceerd in JETP-brieven .

Het bestuderen van magnetische veldkarakteristieken is in veel industrieën noodzakelijk, van navigatie tot geneeskunde. Bijvoorbeeld, magneto-encefalografie kan magnetische velden registreren die voortkomen uit hersenactiviteit, evenals het meten van de activiteit van individuele neuronen. Deze methode wordt gebruikt bij de diagnose van epilepsie en de ziekte van Alzheimer, en de voorbereiding hersenchirurgie. Echter, magneto-encefalografie vereist supergevoelige magnetometers, apparaten die de kenmerken van zeer zwakke magnetische velden registreren.

Daarom, wetenschappers zijn voortdurend op zoek naar nieuwe manieren om supergevoelige magnetometers te maken. Dergelijke apparaten moeten bij kamertemperatuur en met een laag ingangsvermogen werken. Bovendien, ze moeten compact en relatief goedkoop zijn. Een van de veelbelovende opties op dit gebied zijn nanodiamanten met defecten. De nanodiamanten zijn koolstof nanostructuren met een hoge brekingsindex en hoge thermische geleidbaarheid, die bijna geen interactie hebben met andere stoffen. Ze kunnen complexe interne structurele defecten bevatten, zoals stikstof-leegstand (NV) centra.

"Dergelijke defecten kunnen kunstmatig worden gecreëerd. Wanneer een koolstofatoom wordt verwijderd uit het kristalrooster van de diamant, de resulterende vacature is gebonden aan het geïmplanteerde stikstofatoom. De structuur van dit defect is uniek, aangezien de elektronische spins van het individuele centrum worden gemanipuleerd door elektromagnetische velden. Afhankelijk van de eigenschappen van het omringende microgolfmagneetveld, de toestand van de elektronenspin van het NV-centrum verandert, en dit kan worden vastgelegd met optische methoden, " legt Dmitry Zuev uit, onderzoeker aan de Faculteit Natuurkunde en Technologie van de ITMO University.

Echter, aangezien de respons van één NV-centrum niet sterk genoeg is, een ensemble van dergelijke defecten is nodig om de gevoeligheid van sensoren te verbeteren. Hier ontstaat een probleem, omdat de reactie van de elektronenspins van alle centra in de nanodiamant coherent moet worden aangepakt en gemanipuleerd. Met andere woorden, ze moeten allemaal in een magnetisch microgolfveld van dezelfde intensiteit zijn, zodat hun reactie hetzelfde kan zijn.

Wetenschappers van de ITMO University en het Lebedev Physical Institute van de Russische Academie van Wetenschappen stelden voor om een ​​diëlektrische microgolfantenne te gebruiken om de elektronenspins van NV-centra in het hele nanodiamantvolume coherent te regelen. De antenne wordt weergegeven door een diëlektrische cilinder met een inwendig gat met nanodiamant met veel NV-centra. Dit systeem wordt opgewekt door een elektrische stroom. Zodra een ingangsvermogen van ongeveer 5 watt is toegepast, de diëlektrische cilinder creëert een sterk uniform magnetisch veld rond de nanodiamant. Als resultaat, de elektronenspins van alle NV-centra worden op dezelfde manier gesynchroniseerd en zorgen zo voor een hoge gevoeligheid van de magnetometers.

"De belangrijkste uitdaging van dit werk was om een ​​coherente controle van de elektronenspins van NV-centra in het volledige volume van het commercieel verkrijgbare nanodiamantmonster te bereiken. We besloten hiervoor een antenne te gebruiken op basis van een diëlektrische resonator. We berekenden de benodigde antenne parameters en schatten het verwachte effect. Experimentele studies werden uitgevoerd in samenwerking met de onderzoeksgroep van professor Alexey Akimov in Moskou. We verzamelden een experimenteel monster en maten de Rabi-frequentie, die de frequentie laat zien waarmee de elektronenspins kunnen worden gemanipuleerd. Hoe groter deze waarde, des te beter. We hebben een Rabi-frequentie van 10 megahertz. Een dergelijk resultaat is nog nooit eerder experimenteel aangetoond voor een volumemonster, dus dit is eigenlijk een doorbraak, " zei Polina Kapitanova, onderzoeker aan de Faculteit Natuurkunde en Technologie van de ITMO University.

Het meten van de Rabi-frequentie is de eerste stap om de gevoeligheid van de nieuwe magnetometer te bepalen. Wetenschappers zijn van plan om door te gaan met experimenten en theoretische studies, zoeken naar nieuwe antenneconfiguraties die magnetometers van nog hogere kwaliteit zullen opleveren.