Een nieuwe manier om magnetische velden op atomaire schaal met grote precisie te meten, niet alleen op en neer, maar ook zijwaarts, is ontwikkeld door onderzoekers van het MIT. De nieuwe tool kan nuttig zijn in uiteenlopende toepassingen, zoals het in kaart brengen van de elektrische impulsen in een afvurend neuron, karakteriseren van nieuwe magnetische materialen, en het onderzoeken van exotische kwantumfysische verschijnselen.

De nieuwe aanpak wordt vandaag beschreven in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven in een paper van afgestudeerde student Yi-Xiang Liu, voormalig afgestudeerde student Ashok Ajoy, en hoogleraar nucleaire wetenschappen en techniek Paola Cappellaro.

De techniek bouwt voort op een platform dat al is ontwikkeld om magnetische velden met hoge precisie te onderzoeken, met behulp van kleine defecten in diamant genaamd stikstof-vacature (NV) centra. Deze defecten bestaan ​​uit twee aangrenzende plaatsen in het geordende rooster van koolstofatomen van de diamant waar koolstofatomen ontbreken; een ervan is vervangen door een stikstofatoom, en de andere blijft leeg. Dit laat ontbrekende bindingen in de structuur achter, met elektronen die extreem gevoelig zijn voor kleine variaties in hun omgeving, of ze elektrisch zijn, magnetisch, of op licht gebaseerd.

Eerdere toepassingen van enkele NV-centra om magnetische velden te detecteren waren uiterst nauwkeurig, maar konden die variaties alleen langs een enkele dimensie meten, uitgelijnd met de sensoras. Maar voor sommige toepassingen zoals het in kaart brengen van de verbindingen tussen neuronen door de exacte richting van elke afvuurimpuls te meten, het zou nuttig zijn om ook de zijdelingse component van het magnetische veld te meten.

Eigenlijk, de nieuwe methode lost dat probleem op door een secundaire oscillator te gebruiken die wordt geleverd door de kernspin van het stikstofatoom. De zijdelingse component van het te meten veld verschuift de oriëntatie van de secundaire oscillator. Door het een beetje van de as af te kloppen, de zijdelingse component veroorzaakt een soort wiebelen die verschijnt als een periodieke fluctuatie van het veld uitgelijnd met de sensor, waardoor die loodrechte component verandert in een golfpatroon gesuperponeerd op de primaire, statische magnetische veldmeting. Dit kan vervolgens wiskundig worden teruggeconverteerd om de grootte van de zijwaartse component te bepalen.

De methode biedt evenveel precisie in deze tweede dimensie als in de eerste dimensie, Liu legt uit, terwijl nog steeds een enkele sensor wordt gebruikt, waardoor de ruimtelijke resolutie op nanoschaal behouden blijft. Om de resultaten af ​​te lezen, de onderzoekers gebruiken een optische confocale microscoop die gebruik maakt van een speciale eigenschap van de NV-centra:bij blootstelling aan groen licht, ze stralen een rode gloed uit, of fluorescentie, waarvan de intensiteit afhangt van hun exacte spintoestand. Deze NV-centra kunnen functioneren als qubits, het kwantumcomputer-equivalent van de bits die worden gebruikt in gewone computers.

"We kunnen de spintoestand afleiden uit de fluorescentie, " legt Liu uit. "Als het donker is, " minder fluorescentie produceren, "dat is een 'één' staat, en als het helder is, dat is een 'nul' staat, "zegt ze. "Als de fluorescentie een getal daartussenin is, ligt de spintoestand ergens tussen 'nul' en 'één'."

De naald van een eenvoudig magnetisch kompas vertelt de richting van een magnetisch veld, maar niet zijn kracht. Sommige bestaande apparaten voor het meten van magnetische velden kunnen het tegenovergestelde doen, het meten van de sterkte van het veld precies in één richting, maar ze vertellen niets over de algemene oriëntatie van dat veld. Die richtingsinformatie is wat het nieuwe detectorsysteem kan bieden.

In dit nieuwe soort "kompas, "Lou zegt, "We kunnen zien waar het wijst aan de helderheid van de fluorescentie, " en de variaties in die helderheid. Het primaire veld wordt aangegeven door de algemene, stabiel helderheidsniveau, overwegende dat de schommeling die wordt veroorzaakt door het van de as afslaan van het magnetische veld zich als een regelmatige, golfachtige variatie van die helderheid, die dan precies kan worden gemeten.

Een interessante toepassing van deze techniek zou zijn om de diamanten NV-centra in contact te brengen met een neuron, zegt Liu. Wanneer de cel zijn actiepotentiaal afvuurt om een ​​andere cel te activeren, het systeem moet niet alleen de intensiteit van het signaal kunnen detecteren, maar ook de richting ervan, zo helpen we de verbindingen in kaart te brengen en te zien welke cellen welke andere activeren. evenzo, bij het testen van nieuwe magnetische materialen die mogelijk geschikt zijn voor gegevensopslag of andere toepassingen, het nieuwe systeem moet een gedetailleerde meting van de grootte en oriëntatie van magnetische velden in het materiaal mogelijk maken.

In tegenstelling tot sommige andere systemen die extreem lage temperaturen nodig hebben om te werken, dit nieuwe magnetische sensorsysteem kan goed werken bij gewone kamertemperatuur, Liu zegt, waardoor het mogelijk wordt om biologische monsters te testen zonder ze te beschadigen.

De technologie voor deze nieuwe aanpak is al beschikbaar. "Je kunt het nu doen, maar je moet eerst even de tijd nemen om het systeem te kalibreren, "zegt Liu.

Voor nu, het systeem geeft alleen een meting van de totale loodrechte component van het magnetische veld, niet de exacte oriëntatie. "Nutsvoorzieningen, we extraheren alleen de totale transversale component; we kunnen de richting niet bepalen, " zegt Liu. Maar het toevoegen van die driedimensionale component kan worden gedaan door een toegevoegde, statisch magnetisch veld als referentiepunt. "Zolang we dat referentieveld kunnen kalibreren, " ze zegt, het zou mogelijk zijn om de volledige driedimensionale informatie over de oriëntatie van het veld te krijgen, en "er zijn veel manieren om dat te doen."

Amit Finkler, een senior wetenschapper in de chemische fysica aan het Israëlische Weizmann Institute, die niet bij dit werk betrokken was, zegt:"Dit is onderzoek van hoge kwaliteit. ... Ze verkrijgen een gevoeligheid voor transversale magnetische velden die vergelijkbaar is met de DC-gevoeligheid voor parallelle velden, dat is indrukwekkend en bemoedigend voor praktische toepassingen."

Finkler voegt toe, "Zoals de auteurs nederig in het manuscript schrijven, dit is inderdaad de eerste stap in de richting van vectormagnetometrie op nanoschaal. Het valt nog te bezien of hun techniek inderdaad kan worden toegepast op werkelijke monsters, zoals moleculen of systemen van gecondenseerde materie." hij zegt, "Het komt erop neer dat als potentiële gebruiker/implementator van deze techniek, Ik ben zeer onder de indruk en bovendien aangemoedigd om dit schema over te nemen en toe te passen in mijn experimentele opstellingen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.