Новый способ одновременного обнаружения магнитных полей в разных направлениях

• Новый инструмент использует дефект центра азот-вакансия в алмазе для одновременного обнаружения магнитных полей в разных направлениях.
• Он создает трехмерное изображение магнитных полей в реальном времени.
• Эта технология может быть использована в различных областях, включая физику конденсированных сред и биологию.

Измерение динамического векторного магнитного поля в реальном времени требуется во многих приложениях магнитометрии, таких как магнитная навигация, обнаружение и отображение биомагнитного поля, а также обнаружение магнитных аномалий.

Скалярные магнитометры способны измерять только величину магнитного поля, тогда как магнитометры с векторной проекцией могут измерять проекцию магнитного поля вдоль определенной оси. Но что, если вы хотите измерить магнитные поля сразу в разных направлениях?

Недавно исследователи из Гарвардского университета разработали инструмент, который может определять магнитные поля практически во всем, от систем конденсированного состояния до возбуждающих нейронов. Для этого в инструменте используется один из различных точечных дефектов в алмазе, называемый азотно-вакансионными (NV) центрами. Он способен одновременно обнаруживать магнитные поля в разных направлениях.

Как это работает?

Исследователи подвергли небольшую алмазную пластину площадью 4 миллиметра квадрату 4 различных микроволновых сигналов. Каждый сигнал был настроен для измерения определенной ориентации NV и сглаживания (добавлен белый шум для уменьшения искажения сигналов с низкой амплитудой) в соответствии со специальной схемой частотной модуляции. Это позволило им проанализировать, как индивидуальная ориентация NV ведет себя в разных направлениях магнитного поля.

До сих пор это был утомительный и трудоемкий процесс регулярного переключения между микроволновыми частотами для наблюдения за откликом одной NV-ориентации за раз. Новый инструмент представляет собой значительные улучшения по сравнению с предыдущими методологиями.

Старый метод не работает для быстрых процессов, таких как биомагнитные поля, генерируемые возбужденными нейронами. Он не сможет собрать всю информацию, но новый метод позволяет одновременно измерять магнитные поля в разных направлениях.

В этом исследовании исследователи собрали непрерывный поток данных с бриллианта, поскольку магнитное поле колеблется. Новый инструмент может обрабатывать эти данные быстрее, чем собирать, позволяя исследователям наблюдать за амплитудой и направлением магнитного поля в режиме реального времени.

Ссылка:APSPhysics | doi:10.1103 / PhysRevApplied.10.034044 | Гарвардский вестник

Система основана на предыдущем исследовании, в котором использовались центры азотных вакансий Diamond для выявления нейронных сигналов у морских червей. Это было просто доказательство принципа. Эффективная система нейробиологии должна быть совместима с нейронами млекопитающих, но поскольку возбуждающие нейроны генерируют магнитные поля, выровненные в разных направлениях, создание таких систем довольно сложно. Однако недавно разработанный инструмент решает все эти проблемы магнитного зондирования нейронов.

Почему они использовали центры азотных вакансий?

Для этой задачи NV-центры идеально расположены в решетке алмаза. Каждый NV-центр создается заменой одного атома углерода на атом азота и соседнюю вакансию. Поскольку каждый атом связан с 4 другими атомами, существует 4 возможных ориентации NV, каждая из которых чувствительна к магнитным полям, ориентированным в этих направлениях. Таким образом, для определения направления магнитного поля можно использовать 4 типа NV-центров.

Предоставлено исследователями

В этом эксперименте исследователи поместили алмазную пластину в магнитное поле (созданное в лаборатории) и направили на нее лазерный луч, заставив минерал сиять. Когда NV-центры реагировали на изменения магнитного поля и уникальный образец частотной модуляции, яркость NV-центра значительно изменялась.

Исследователи отслеживали изменения яркости и создали трехмерное изображение магнитного поля. Теперь можно одновременно наблюдать все 4 ориентации NV и определять магнитное поле в реальном времени. Это похоже на одновременное прослушивание 4 разных радиоканалов, и все они имеют смысл вместе.

Читайте:Самое сильное импульсное магнитное поле в помещении из когда-либо созданных

Хотя это небольшое улучшение по сравнению с тем, что делают другие ученые, авторы считают, что их технология может быть использована в различных областях, включая физику конденсированных сред и биологию.