Kvantemåling metode måler små magnetiske felter

En ny måde at måle atomskala magnetfelter med stor præcision, ikke kun op og ned, men også sidelæns, er udviklet af forskere ved MIT. Det nye værktøj kan være nyttigt i så forskellige applikationer som at kortlægge de elektriske impulser inde i en fyrende neuron, karakterisering af nye magnetiske materialer, og sondering af eksotiske kvantefysiske fænomener.

Den nye tilgang er beskrevet i dag i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve i et oplæg af kandidatstuderende Yi-Xiang Liu, tidligere kandidatstuderende Ashok Ajoy, og professor i atomvidenskab og teknik Paola Cappellaro.

Teknikken bygger på en platform, der allerede er udviklet til at undersøge magnetfelter med høj præcision, ved hjælp af små defekter i diamant kaldet nitrogen-vacancy (NV) centre. Disse defekter består af to tilstødende steder i diamantens ordnede gitter af kulstofatomer, hvor der mangler carbonatomer; en af ​​dem erstattes af et nitrogenatom, og den anden er tom. Dette efterlader manglende bindinger i strukturen, med elektroner, der er ekstremt følsomme over for små variationer i deres miljø, det være sig elektriske, magnetisk, eller lysbaseret.

Tidligere anvendelser af enkelte NV -centre til at detektere magnetfelter har været ekstremt præcise, men kun i stand til at måle disse variationer langs en enkelt dimension, på linje med sensoraksen. Men for nogle applikationer, såsom at kortlægge forbindelserne mellem neuroner ved at måle den nøjagtige retning for hver affyringsimpuls, det ville også være nyttigt at måle den sidelænsende komponent i magnetfeltet.

I det væsentlige, den nye metode løser dette problem ved at bruge en sekundær oscillator leveret af nitrogenatomets atomspin. Den sidelænsede komponent i det felt, der skal måles, skubber orienteringen af ​​den sekundære oscillator. Ved at slå den lidt off-axis, den sidelænsede komponent fremkalder en form for wobble, der optræder som en periodisk udsving i feltet justeret til sensoren, og dermed vende den vinkelrette komponent til et bølgemønster overlejret på den primære, måling af statisk magnetfelt. Dette kan derefter matematisk konverteres tilbage for at bestemme størrelsen af ​​den sidelænsende komponent.

Metoden giver lige så meget præcision i denne anden dimension som i den første dimension, Liu forklarer, mens du stadig bruger en enkelt sensor, og bevarer dermed sin nanoskala rumlige opløsning. For at læse resultaterne op, forskerne bruger et optisk konfokalt mikroskop, der gør brug af en særlig egenskab ved NV -centrene:Når de udsættes for grønt lys, de udsender en rød glød, eller fluorescens, hvis intensitet afhænger af deres nøjagtige spin -tilstand. Disse NV -centre kan fungere som qubits, kvanteberegningsækvivalenten af ​​de bits, der bruges i almindelig computing.

"Vi kan se spin -tilstanden fra fluorescensen, "Liu forklarer." Hvis det er mørkt, "producerer mindre fluorescens, "det er en" en "tilstand, og hvis det er lyst, det er en 'nul' tilstand, "siger hun." Hvis fluorescensen er et tal imellem, er spin -tilstanden et sted mellem 'nul' og 'en'. "

Nålen på et simpelt magnetisk kompas fortæller retningen af ​​et magnetfelt, men ikke dens styrke. Nogle eksisterende enheder til måling af magnetfelter kan gøre det modsatte, måler feltets styrke præcist i en retning, men de fortæller intet om den overordnede orientering af dette felt. Den retningsbestemte information er, hvad det nye detektorsystem kan levere.

I denne nye slags "kompas, "Liu siger, "vi kan se, hvor det peger ud fra lysstyrken i fluorescensen, "og variationerne i denne lysstyrke. Det primære felt er angivet med den samlede konstant lysstyrke, der henviser til, at den wobble, der blev indført ved at banke magnetfeltet uden for aksen, viser sig som en regelmæssig, bølgelignende variation af denne lysstyrke, som derefter kan måles præcist.

En interessant anvendelse til denne teknik ville være at sætte diamant NV -centrene i kontakt med et neuron, Siger Liu. Når cellen affyrer sit handlingspotentiale for at udløse en anden celle, systemet bør være i stand til ikke kun at registrere intensiteten af ​​sit signal, men også dens retning, dermed hjælpe med at kortlægge forbindelserne og se, hvilke celler der udløser hvilke andre. Tilsvarende ved afprøvning af nye magnetiske materialer, der kan være egnede til datalagring eller andre applikationer, det nye system bør muliggøre en detaljeret måling af størrelsen og orienteringen af ​​magnetfelter i materialet.

I modsætning til nogle andre systemer, der kræver ekstremt lave temperaturer for at fungere, dette nye magnetiske sensorsystem kan fungere godt ved almindelig stuetemperatur, Liu siger, gør det muligt at teste biologiske prøver uden at beskadige dem.

Teknologien til denne nye tilgang er allerede tilgængelig. "Du kan gøre det nu, men du skal først bruge lidt tid på at kalibrere systemet, "Siger Liu.

For nu, systemet giver kun en måling af den samlede vinkelrette komponent i magnetfeltet, ikke dens nøjagtige orientering. "Nu, vi udtrækker kun den samlede tværgående komponent; vi kan ikke bestemme retningen, "Siger Liu. Men tilføjer, at en tredimensionel komponent kan udføres ved at indføre en tilføjet, statisk magnetfelt som referencepunkt. "Så længe vi kan kalibrere referencefeltet, " hun siger, det ville være muligt at få den fulde tredimensionelle information om feltets orientering, og "der er mange måder at gøre det på."

Amit Finkler, seniorforsker i kemisk fysik ved Israels Weizmann Institute, der ikke var involveret i dette arbejde, siger "Dette er forskning af høj kvalitet. ... De opnår en følsomhed over for tværgående magnetfelter på lige fod med DC -følsomheden for parallelle felter, hvilket er imponerende og opmuntrende til praktiske anvendelser. "

Finkler tilføjer, "Som forfatterne ydmygt skriver i manuskriptet, dette er faktisk det første skridt mod vektor nanoskala magnetometri. Det gjenstår at se, om deres teknik faktisk kan anvendes på faktiske prøver, såsom molekyler eller systemer til kondenseret stof. "Dog er han siger, "Bundlinjen er, at som en potentiel bruger/implementer af denne teknik, Jeg er meget imponeret og desuden opfordret til at vedtage og anvende denne ordning i mine eksperimentelle opsætninger. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.