Forskere udvikler ny metode til at kontrollere nanoskala diamantsensorer

Diamanter kan være en piges bedste ven, men de kunne også en dag hjælpe os med at forstå, hvordan hjernen behandler information, takket være en ny sensorteknik udviklet på MIT.

Et team i MIT's Quantum Engineering Group har udviklet en ny metode til styring af nanoskala diamantsensorer, som er i stand til at måle selv meget svage magnetfelter. Forskerne præsenterer deres arbejde i denne uge i tidsskriftet Naturkommunikation .

Den nye kontrolteknik giver de små sensorer mulighed for at overvåge, hvordan disse magnetfelter ændrer sig over tid, såsom når neuroner i hjernen sender elektriske signaler til hinanden. Det kunne også sætte forskere i stand til mere præcist at måle de magnetiske felter, der produceres af nye materialer, såsom metamaterialerne, der bruges til at lave superlinser og "usynlighedskapper".

I 2008 blev et team af forskere fra MIT, Harvard Universitet, og andre institutioner afslørede først, at nanoskala -defekter inde i diamanter kunne bruges som magnetiske sensorer.

De naturligt forekommende fejl, kendt som nitrogen-vacancy (N-V) centre, er følsomme over for eksterne magnetfelter, meget gerne kompasser, siger Paola Cappellaro, Esther og Harold Edgerton lektor i nuklear videnskab og teknik (NSE) ved MIT.

Defekter inde i diamanter er også kendt som farvecentre, Cappellaro siger, da de giver ædelstenene en særlig nuance:"Så hvis du nogensinde ser en flot diamant, der er blå eller lyserød, farven skyldes, at der er defekter i diamanten. "

NV-centerdefekten består af et nitrogenatom i stedet for et carbonatom og ved siden af ​​et tomrum-eller hul-inden for diamantens gitterstruktur. Mange sådanne fejl i en diamant ville give ædelstenen en lyserød farve, og når de belyses med lys, udsender de et rødt lys, Siger Cappellaro.

For at udvikle den nye metode til styring af disse sensorer, Cappellaros hold undersøgte først diamanten med grønt laserlys, indtil de opdagede et rødt lys, som fortalte dem præcis, hvor fejlen var placeret.

De påførte derefter et mikrobølge -felt på nanoskala -sensoren, at manipulere elektron-spin i N-V center. Dette ændrer intensiteten af ​​lys udsendt af defekten, i en grad, der ikke kun afhænger af mikrobølgefeltet, men også af eventuelle eksterne magnetiske felter.

For at måle eksterne magnetfelter, og hvordan de ændrer sig over tid, forskerne målrettede nanoskala sensoren med en mikrobølge puls, som skiftede retningen for N-V-centerets elektron-spin, siger teammedlem og NSE -kandidatstuderende Alexandre Cooper. Ved at anvende forskellige serier af disse pulser, fungerede som filtre - som hver især skiftede elektronspins retning et andet antal gange - var teamet i stand til effektivt at indsamle oplysninger om det eksterne magnetfelt.

De anvendte derefter signalbehandlingsteknikker til at fortolke disse oplysninger og brugte dem til at rekonstruere hele magnetfeltet. "Så vi kan rekonstruere hele dynamikken i dette eksterne magnetfelt, som giver dig mere information om de underliggende fænomener, der skaber selve magnetfeltet, "Siger Cappellaro.

Holdet brugte en firkant af diamant med en diameter på tre millimeter som deres prøve, men det er muligt at bruge sensorer, der kun er titalls nanometer store. Diamantsensorerne kan bruges ved stuetemperatur, og da de udelukkende består af kulstof, de kunne injiceres i levende celler uden at forårsage dem nogen skade, Siger Cappellaro.

En mulighed ville være at dyrke neuroner oven på diamantsensoren, at tillade det at måle de magnetiske felter skabt af "aktionspotentialet, "eller signal, de producerer og overfører derefter til andre nerver.

Tidligere har forskere har brugt elektroder inde i hjernen til at "stikke" en neuron og måle det producerede elektriske felt. Imidlertid, dette er en meget invasiv teknik, Siger Cappellaro. "Du ved ikke, om neuronen stadig opfører sig, som den ville have gjort, hvis du ikke havde gjort noget, " hun siger.

I stedet, diamantsensoren kunne måle magnetfeltet ikke -invasivt. "Vi kunne have en række af disse defektcentre til at undersøge forskellige steder på neuronen, og så ville du vide, hvordan signalet formerer sig fra en position til en anden i tide, "Siger Cappellaro.

I forsøg med at demonstrere deres sensor, holdet brugte en bølgeleder som en kunstig neuron og påførte et eksternt magnetfelt. Da de placerede diamantsensoren på bølgelederen, de var i stand til nøjagtigt at rekonstruere magnetfeltet. Mikhail Lukin, professor i fysik ved Harvard, siger værket demonstrerer meget pænt evnen til at rekonstruere tidsafhængige profiler af svage magnetfelter ved hjælp af en ny magnetisk sensor baseret på kvantemanipulation af defekter i diamant.

"En dag kan teknikker demonstreret i dette arbejde muliggøre, at vi kan registrere hjerneaktivitet i realtid og lære, hvordan de fungerer, "siger Lukin, som ikke var involveret i denne undersøgelse. "Potentielle vidtrækkende konsekvenser kan omfatte påvisning og eventuel behandling af hjernesygdomme, selvom der stadig er meget arbejde, der skal gøres for at vise, om dette rent faktisk kan lade sig gøre, "tilføjer han.

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.