Fysikere designer ny antenne til næste generations superfølsomme magnetometre

Forskere fra ITMO University og Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences har foreslået en ny mikrobølgeantenne, der skaber et ensartet magnetfelt i stor volumen. Det er i stand til ensartet, sammenhængende adressering af de elektroniske spins i et ensemble af nanodiamond strukturfejl. Dette kan bruges til at oprette superfølsomme magnetfeltdetektorer til magnetoencephalografi ved undersøgelse og diagnose af epilepsi og andre sygdomme. Resultaterne offentliggøres i JETP Breve .

At studere magnetfeltkarakteristika er nødvendigt i mange brancher, fra navigation til medicin. For eksempel, magnetoencefalografi kan registrere magnetfelter, der opstår ved hjerneaktivitet, samt måle aktiviteten af ​​individuelle neuroner. Denne metode bruges til at diagnosticere epilepsi og Alzheimers sygdom, og præparatet hjernekirurgi. Imidlertid, magnetoencefalografi kræver superfølsomme magnetometre, enheder, der registrerer egenskaberne ved meget svage magnetfelter.

Derfor, forskere leder konstant efter nye måder at skabe superfølsomme magnetometre på. Sådanne enheder skal fungere ved stuetemperatur ved lav inputeffekt. I øvrigt, de skal være kompakte og relativt billige. En af de lovende muligheder på dette område er nanodiamanter med defekter. Nanodiamanterne er kulstof -nanostrukturer med et højt brydningsindeks og høj varmeledningsevne, som næsten ikke har nogen interaktion med andre stoffer. De kan indeholde komplekse interne strukturelle defekter, f.eks. nitrogen-vacancy (NV) centre.

"Sådanne defekter kan blive skabt kunstigt. Når et carbonatom fjernes fra diamantens krystalgitter, den resulterende ledighed bindes til det implanterede nitrogenatom. Strukturen af ​​denne defekt er unik, da de elektroniske centrifugeringer i det enkelte center manipuleres af elektromagnetiske felter. Afhængig af egenskaberne for det omgivende mikrobølge magnetfelt, tilstanden for elektron-spin i NV-center ændrer sig, og dette kan optages med optiske metoder, "forklarer Dmitry Zuev, forsker ved det fysiske og teknologiske fakultet ved ITMO University.

Imidlertid, da svaret fra det enkelte NV-center ikke er stærkt nok, et ensemble af sådanne defekter er nødvendigt for at forbedre følsomheden af ​​sensorer. Det er her et problem opstår, da reaktionen af ​​elektronspins i alle centre i nanodiamonden skal behandles og manipuleres sammenhængende. Med andre ord, de skal alle befinde sig i et mikrobølge magnetisk felt med samme intensitet, så deres respons kan være den samme.

Forskere fra ITMO University og Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences foreslog at bruge en dielektrisk mikrobølge-antenne til sammenhængende at styre elektron-spins i NV-centre i hele nanodiamondvolumenet. Antennen er repræsenteret af en dielektrisk cylinder med et indre hul indeholdende nanodiamond med mange NV-centre. Dette system er spændt på en elektrisk strøm. Når der er brugt en indgangseffekt på cirka 5 watt, den dielektriske cylinder skaber et stærkt ensartet magnetfelt omkring nanodiamanten. Som resultat, elektronspins på alle NV-centrene synkroniseres på samme måde og giver dermed en høj magnetometers følsomhed.

"Hovedudfordringen ved dette arbejde var at opnå sammenhængende kontrol af elektron-spins i NV-centre i hele mængden af ​​den kommercielt tilgængelige nanodiamond-prøve. Vi besluttede at bruge en antenne baseret på en dielektrisk resonator til dette. Vi beregnede den nødvendige antenne parametre og estimerede den forventede effekt. Eksperimentelle undersøgelser blev udført i samarbejde med forskergruppen for professor Alexey Akimov i Moskva. Vi indsamlede en eksperimentel prøve og målte Rabi -frekvensen, som viser den frekvens, hvormed elektronen spinder kan manipuleres. Jo større denne værdi er, des bedre. Vi fik en Rabi -frekvens på 10 megahertz. Et sådant resultat blev aldrig eksperimentelt vist for en volumenprøve før, så dette er faktisk et gennembrud, "sagde Polina Kapitanova, forsker ved det fysiske og teknologiske fakultet ved ITMO University.

Måling af Rabi -frekvensen er det første skridt i retning af at bestemme følsomheden af ​​det nye magnetometer. Forskere planlægger at fortsætte eksperimenter og teoretiske undersøgelser, søger efter nye antennekonfigurationer, der vil levere magnetometre af endnu højere kvalitet.