Маппинг 3D магнитных полей в реальном времени с использованием NV-центров в алмазе

• Новый инструмент использует дефект азота-вакансии (NV) в алмазе для одновременного обнаружения магнитных полей в разных направлениях.
• Он создает 3D-картину магнитных полей в реальном времени.
• Технология может быть использована в различных областях, включая физику конденсированного состояния и биологию.

Детектирование динамического векторного магнитного поля в реальном времени требуется во множестве приложений магнитометрии, таких как магнитная навигация, детектирование и визуализация биомагнитных полей и обнаружение магнитных аномалий.

Скалярные магнитометры способны измерять только величину магнитного поля, тогда как векторно-проекционные магнитометры могут измерять проекцию магнитного поля вдоль определенной оси. Но что, если вы хотите измерять магнитные поля в разных направлениях все сразу?

Недавно исследователи из Гарвардского университета разработали инструмент, который может чувствовать магнитные поля почти во всем — от систем конденсированного состояния до стреляющих нейронов. Для этого инструмент использует один из различных точечных дефектов в алмазе, называемых центрами азота-вакансии (NV). Он способен обнаруживать магнитные поля в разных направлениях одновременно.

Как это работает?

Исследователи подвергли небольшую квадратную пластину алмаза 4 мм 4 различным микроволновым сигналам. Каждый сигнал был сконфигурирован для измерения определенной ориентации NV и дизерирован (добавлен белый шум для уменьшения искажения низкоамплитудных сигналов) в соответствии со специальным частотно-модуляционным паттерном. Это позволило им анализировать, как вела себя каждая ориентация NV в разных направлениях магнитного поля.

До сих пор это был трудоемкий и затратный по времени процесс регулярного переключения между микроволновыми частотами для наблюдения за реакцией одной ориентации NV за раз. Новый инструмент представляет значительные улучшения по сравнению с предыдущими методиками.

Старая техника не работает для быстрых процессов, таких как биомагнитные поля, генерируемые стреляющими нейронами. Она не смогла бы захватить всю информацию, но новая техника может измерять магнитные поля в различных направлениях одновременно.

В этом исследовании исследователи собрали непрерывный поток данных от алмаза, пока магнитное поле флуктуировало. Новый инструмент может обрабатывать эти данные быстрее, чем собирает их, позволяя исследователям наблюдать амплитуду и направление магнитного поля в реальном времени.

Источник: APSPhysics | doi:10.1103/PhysRevApplied.10.034044 | The Harvard Gazette

Система построена на предыдущем исследовании, которое использовало NV-центры алмаза для идентификации нейронных сигналей у морских червей. Это было просто доказательством принципа. Эффективная нейробиологическая система должна быть совместима с нейронами млекопитающих, но поскольку стреляющие нейроны генерируют магнитные поля, выровненные в различных направлениях, создание таких систем довольно сложно. Однако новый разработанный инструмент решает все эти проблемы магнитного сенсирования нейронов.

Почему они использовали NV-центры?

Для этой задачи NV-центры идеально расположены в алмазной решетке. Каждый NV-центр создается заменой одного атома углерода на атом азота и смежной вакансией. Поскольку каждый атом связан с 4 другими атомами, существует 4 возможные ориентации NV, каждая из которых чувствительна к магнитным полям, ориентированным в этом направлении. Таким образом, можно использовать 4 вида NV-центров для определения направления магнитного поля.

По предоставлению исследователей

В этом эксперименте исследователи поместили пластину алмаза в магнитное поле (созданное в лаборатории) и проецировали лазерный свет на него, заставляя минерал светиться. Когда NV-центры реагировали на изменения магнитного поля и уникальный частотно-модуляционный паттерн, яркость NV-центра менялась значительно.

Исследователи отслеживали изменения яркости и создавали 3D-изображение магнитного поля. Теперь возможно наблюдать все 4 ориентации NV одновременно и определять магнитное поле в реальном времени. Это похоже на прослушивание 4 разных радиостанций одновременно, и все они имеют смысл вместе.

Читайте также: Самый сильный импульсный магнитный поля в помещении, когда-либо генерировавшийся

Хотя это небольшое улучшение того, что делают другие ученые, авторы верят, что их технология может быть использована в различных областях, включая физику конденсированного состояния и биологию.