Het meten van zwakke magnetische velden is een zaak van biljoenen dollars. Gigabytes aan gegevens, opgeslagen en snel opgehaald uit fiches ter grootte van een muntstuk, vormen de kern van consumentenelektronica. Nog hogere gegevensdichtheden kunnen worden bereikt door de gevoeligheid van magnetische detectie te verbeteren - misschien tot nano-tesla-niveaus.

Een grotere magnetische gevoeligheid is ook nuttig op veel wetenschappelijke gebieden, zoals de identificatie van biomoleculen zoals DNA of virussen. Dit onderzoek moet vaak plaatsvinden in een warme, natte omgeving, waar schone omstandigheden of lage temperaturen niet mogelijk zijn. JQI-wetenschappers pakken deze zorg aan door een diamantsensor te ontwikkelen die in een vloeibare omgeving werkt. De sensor maakt magnetische kaarten (met een gevoeligheid van 17 microtesla) van kleine deeltjes (een stand-in voor echte biomoleculen) met een ruimtelijke resolutie van ongeveer 50 nm. Dit is waarschijnlijk de meest gevoelige magnetische meting die bij kamertemperatuur in microfluïdica wordt uitgevoerd.

De resultaten van het nieuwe experiment uitgevoerd door JQI-wetenschapper Edo Waks (een professor aan de Universiteit van Maryland) en zijn medewerkers verschijnen in het tijdschrift NanoLetters .

Diamant NV-centra

In het hart van de sensor bevindt zich een klein diamanten nanokristal. Deze diamant, wanneer het in de buurt van een magnetisch deeltje wordt gebracht en tegelijkertijd wordt omgeven door laserlicht en een subtiel microgolfsignaal, zal fluoresceren op een manier die evenredig is met de sterkte van het eigen magnetische veld van het deeltje. Zo wordt het licht van de diamant gebruikt om magnetisme in kaart te brengen.

Hoe werkt de diamant en hoe wordt het deeltje dicht genoeg bij de diamant gemanoeuvreerd om te worden gescand?

Het diamant nanokristal wordt gemaakt in hetzelfde proces waarmee synthetische diamanten worden gevormd, in een proces dat chemische dampafzetting wordt genoemd. Sommige diamanten hebben kleine imperfecties, inclusief af en toe stikstofatomen die koolstofatomen vervangen. Soms ontbreekt een koolstofatoom helemaal in de anders strak gecoördineerde vaste structuur van diamant. In die gevallen waar de stikstof (N) en de leegstand (V) naast elkaar liggen, een interessant optisch effect kan optreden. De NV-combinatie fungeert als een soort kunstmatig atoom dat een NV-kleurcentrum wordt genoemd. Indien gevraagd door de juiste soort groene laser, het NV-centrum zal schitteren. Dat is, als groen laserlicht zal absorberen en rood licht zal uitzenden, één foton tegelijk.

De NV-emissiesnelheid kan worden gewijzigd in aanwezigheid van magnetische velden op microscopisch niveau. Om dit te laten gebeuren, Hoewel, de interne energieniveaus van het NV-centrum moeten precies goed zijn, en dit gebeurt wanneer het centrum wordt blootgesteld aan signalen van de radiofrequentiebron (weergegeven aan de rand van de figuur) en de velden die worden uitgezonden door het nabijgelegen magnetische deeltje zelf.

Het deeltje drijft in een ondiep meer van een oplossing op basis van gedeïoniseerd water in een opstelling die een microfluïdische chip wordt genoemd. De diamant zit stevig vast aan de bodem van dit meer. Het deeltje beweegt, en wordt rond de chip gestuurd wanneer elektroden die in de kanalen zijn geplaatst, ionen in de vloeistof overhalen om zachte stromen te vormen. Als een schip dat met behulp van de Golfstroom naar Europa vaart, het deeltje rijdt op deze stromen met submicronregeling. Het deeltje kan zelfs in verticale richting worden gemanoeuvreerd door een externe magnetische spoel (niet weergegeven in de tekening).

"We zijn van plan meerdere diamanten te gebruiken om complexe vectoriële magnetische analyses uit te voeren., " zegt afstudeerder Kangmook Lim, de hoofdauteur van de publicatie. "We zullen ook zwevende diamanten gebruiken in plaats van stationaire, wat erg handig zou zijn voor het scannen van nanomagnetisme van biologische monsters."