En foreslået diamantsonde stimulerer magnetiske momenter (justerede elektroner) i det materiale, der undersøges, som derefter virker på selve sondeens magnetfelt og dermed kan måles. Kredit:Michael Flatte, University of Iowa
Fysikere ved University of Iowa har foreslået en ny teknik til at detektere og måle materialer, der afgiver svage magnetiske signaler eller slet ikke har noget magnetfelt. Deres løsning ville bruge en ikke -invasiv sonde til at fremkalde en magnetisk reaktion i det materiale, der undersøges, og derefter opdage, hvordan denne reaktion ændrer sondens eget magnetfelt.
Teknikken har mange potentielle virkelige applikationer, herunder at give mere følsomme magnetiske resonansbilleddannelsesmaskiner (MRI), udvikling af højhastighedslagringshukommelse i den halvledende industri, og producere mere effektive computerbehandlingsenheder (CPU'er).
"Denne tilgang er designet til at måle den situation, hvor hvis du ikke havde sonden i nærheden, du ville ikke se noget. Der ville ikke være nogen magnetiske felter overhovedet, "siger Michael Flatté, professor i fysik og astronomi og seniorforfatter af papiret, der blev offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve . "Det er kun selve sonden, der forårsager tilstedeværelsen af magnetfelterne."
Sonden gør dette ved at skabe "magnetiske øjeblikke" i materialer, der ellers ville udsende et svagt magnetfelt eller slet ikke har noget magnetfelt. Magnetiske øjeblikke opstår, når en gruppe elektroner orienterer sig i samme retning, meget som små kompasnåle, der alle peger, sige, nord. Den ensartede orientering skaber et lille magnetfelt. Jern, for eksempel, producerer en stærk respons, fordi de fleste af dens elektroner bliver orienteret i samme retning, når den støder på en magnetisk kraft.
Alt det kræver for sonden, som kun er nogle få nanometre i diameter, at skabe et magnetisk moment er for to af dets seks elektroner til at snappe til den samme retningsretning. Når det sker, sonden stimulerer nok elektroner i materialer med svage eller ikke-eksisterende magnetfelter til at orientere sig igen, skabe et magnetisk moment i materialet - eller bare nok af et - som sonden kan registrere. Hvordan materialets magnetiske moment påvirker sondens eget magnetfelt er målbart, som giver forskere midler til at beregne materialets fysiske dimensioner, såsom dens tykkelse.
"Disse elektroner (i materialer med svage eller ikke -eksisterende magnetiske felter) har deres eget felt, der virker tilbage på sonden og forvrænger sonden (på en måde), som du derefter kan måle, "siger Flatté, direktør for UI's Optical Science Technology Center.
Dette bliver vigtigt, når man forsøger at fange dimensionerne af magnetiske lag, der er begravet eller klemt mellem ikke-magnetiske lag. Sådanne situationer opstår, når man arbejder med halvledere og vil stige, efterhånden som computerbehandlingen skrider frem.
"Vi beregner den magnetiske reaktion, og fra det ville vi vide, hvor magnetfelterne ender og dermed kende lagtykkelsen, "Siger Flatté.
Konceptet bygger på en fremvoksende prøveudtagningsmetode kaldet nitrogen-vacancy center magnetometri. Denne teknik, som bygger på en indført defekt i en diamants krystalstruktur (subbing i et nitrogenatom for to carbonatomer), er delvist effektiv, fordi sonden, den bruger (ligesom den foreslåede UI -probe) er lavet af diamant, som skaber små magnetiske øjeblikke nøglen til at detektere magnetfelter i de undersøgte materialer.
Men der er en ulempe:Kvælstof-ledigt center magnetometri fungerer kun med magnetiserede materialer. Det udelukker superledere, hvor magnetfeltet holder op med at eksistere ved bestemte temperaturer, og mange andre materialer. Flatté og medforfatter Joost van Brees foreslåede løsning kommer uden om det ved at bruge sonden til at skabe et magnetfelt, der tvinger materialer med svage eller ikke-eksisterende magnetfelter til at reagere på det.
"Hvis du anvender et magnetfelt på en superleder, det vil forsøge at annullere det magnetfelt, der påføres det, "Siger Flatté." Selvom det gør det, det skaber et magnetfelt uden for sig selv, der derefter påvirker centrene. Det er det, der så kan opdages. "