Diamantstøv muliggør billige, højeffektiv magnetfeltdetektering

UC Berkeley -ingeniører har skabt en enhed, der dramatisk reducerer den energi, der er nødvendig for at drive magnetfeltdetektorer, som kunne revolutionere, hvordan vi måler de magnetfelter, der strømmer gennem vores elektronik, vores planet, og endda vores kroppe.

"De bedste magnetiske sensorer der findes i dag er omfangsrige, kører kun ved ekstreme temperaturer, og kan koste titusinder af dollars, "sagde Dominic Labanowski, der hjalp med at oprette enheden, som er fremstillet af nitrogengivne diamanter, som postdoktor i afdelingen for elektroteknik og datalogi. "Vores sensorer kunne erstatte de mere vanskelige at bruge sensorer i mange applikationer fra navigation til medicinsk billeddannelse til udforskning af naturressourcer."

Hver gang en diamantbaseret sensor måler et magnetfelt, den skal først sprænges med 1 til 10 watt mikrobølgestråling for at få dem til at være følsomme over for magnetfelter, hvilket er nok strøm til at smelte elektroniske komponenter. Forskerne fandt en ny måde at ophidse små diamanter med mikrobølger ved at bruge 1000 gange mindre strøm, gør det muligt at oprette magnetiske sensorer, der kan passe ind i elektronik som mobiltelefoner.

Dette arbejde blev ledet af Sayeef Salahuddins laboratorium ved UC Berkeley i samarbejde med forskere fra Ohio State University. Teamet rapporterer deres enhed online 7. september i journalen Videnskab fremskridt .

Defekte diamanter

At bombardere en diamant med en nitrogengasstråle kan slå nogle af dets højtordnede kulstofatomer ud, erstatte dem med nitrogenatomer. Disse nitrogeninterlopere-kaldet nitrogen vacancy (NV) centre-har unikke egenskaber, der er velforståede af forskere.

"Du kan bruge disse NV -centre som meget kraftfulde sensorer, men traditionelt har deres applikationer været begrænset, fordi det kræver meget strøm at læse dem, "sagde Labanowski.

For at detektere magnetfelter, forskere skal først ramme NV-centrene med kraftig mikrobølgestråling, svarende til omkring en hundrededel af din standardmikrobølgeeffekt eller ti gange den strøm, der forbruges af en gennemsnitlig mobiltelefon. De belyser derefter NV -centrene med en laser, som absorberes og udsendes af nitrogenatomerne.

Magnetfeltets styrke er relateret til styrken af ​​det udsendte laserlys:intensiteten af ​​det udsendte lys kan bruges til at måle feltstyrken

For at oprette enheden skal du forskerne placerede diamant -nanokrystaller - indeholdende tusinder af NV -centre hver - på en film kaldet en multiferroic. Denne nye type materiale er i stand til at overføre mikrobølgeenergi til krystallerne meget mere effektivt.

"Denne teknik sænker sensorernes strømforbrug dramatisk og gør dem anvendelige til realistiske applikationer, "Sagde Labanowski.

Billeddannelse inde i kroppen og under jorden

Medicinske anvendelser af magnetiske sensorer omfatter magnetoencefalografi, som bruger magnetiske felter til at måle hjernebølger, eller magnetokardiografi, som anvender magnetfelter til billedets hjertefunktion. I øjeblikket er disse maskiner på størrelse med et lille rum og kan koste op mod $ 3 millioner.

"Med NV-sensorer med lav effekt, du kunne forestille dig at tage en rumstørrelse magnetoencephalografimaskine og gøre den til noget som en hjelm, reducerer størrelsen og omkostningerne dramatisk, "Sagde Labanowski.

Sensorerne kan også placeres i fly eller droner for at hjælpe med at opdage sjældne jordarters metaller under jorden, eller bruges i mobiltelefoner til at forbedre navigationen.

Magnetfeltdetektering er kun en anvendelse af NV -centre, Siger Salahuddin. Teamet planlægger at forfine deres teknologi til at bruge NV -centre og andre typer kvantesystemer i en lang række applikationer.

"Mens vi lagde vægt på magnetfeltmåling, vores arbejde kan føre til elektrisk manipulation af kvantesystemer generelt med meget bredere anvendelsesområder, herunder kvanteberegning, "Sagde Salahuddin.