UC Berkeleys ingenjörer har skapat en enhet som dramatiskt minskar energin som behövs för att driva magnetfältsdetektorer, som kan revolutionera hur vi mäter magnetfälten som flödar genom vår elektronik, vår planet, och även våra kroppar.

"De bästa magnetiska sensorerna som finns idag är skrymmande, fungerar endast vid extrema temperaturer, och kan kosta tiotusentals dollar, " sa Dominic Labanowski, som hjälpte till att skapa enheten, som är gjord av kväve-infunderade diamanter, som postdoktor vid institutionen för elektroteknik och datavetenskap. "Våra sensorer kan ersätta de mer svåranvända sensorerna i många applikationer från navigering till medicinsk bildbehandling till naturresursutforskning."

Varje gång en diamantbaserad sensor mäter ett magnetfält, den måste först sprängas med 1 till 10 watt mikrovågsstrålning för att göra dem känsliga för magnetfält, vilket är tillräckligt med kraft för att smälta elektroniska komponenter. Forskarna hittade ett nytt sätt att excitera små diamanter med mikrovågor som använder 1000 gånger mindre energi, vilket gör det möjligt att skapa magnetiskt avkännande enheter som kan passa in i elektronik som mobiltelefoner.

Detta arbete leddes av Sayeef Salahuddins labb vid UC Berkeley i samarbete med forskare från Ohio State University. Teamet rapporterar sin enhet online den 7 september i journalen Vetenskapens framsteg .

Defekta diamanter

Att bombardera en diamant med en stråle av kvävgas kan slå ut några av dess högt ordnade kolatomer, ersätta dem med kväveatomer. Dessa kväveinterlopers - kallade kvävevakanscenter (NV) - har unika egenskaper som är välkända av forskare.

"Du kan använda dessa NV-center som mycket kraftfulla sensorer, men traditionellt har deras applikationer varit begränsade eftersom det tar mycket kraft att läsa dem, sa Labanowski.

För att upptäcka magnetiska fält, forskare måste först träffa NV-centra med kraftfull mikrovågsstrålning, lika med ungefär en hundradel av effekten av din vanliga mikrovågsugn eller tio gånger den effekt som förbrukas av en genomsnittlig mobiltelefon. De belyser sedan NV-centra med en laser, som absorberas och emitteras av kväveatomerna.

Magnetfältets styrka är relaterad till styrkan hos det emitterade laserljuset:intensiteten hos det emitterade ljuset kan användas för att mäta fältstyrkan

För att skapa enheten, forskarna placerade diamantnanokristaller – som innehåller tusentals NV-centra vardera – på en film som kallas multiferroic. Denna nya typ av material kan överföra mikrovågsenergi till kristallerna mycket mer effektivt.

"Denna teknik sänker avsevärt energiförbrukningen för sensorerna och gör dem användbara för realistiska tillämpningar, " sa Labanowski.

Avbildning inuti kroppen och under jorden

Medicinska tillämpningar av magnetiska sensorer inkluderar magnetoencefalografi, som använder magnetfält för att mäta hjärnvågor, eller magnetokardiografi, som använder magnetfält för att avbilda hjärtfunktionen. För närvarande är dessa maskiner lika stora som ett litet rum och kan kosta uppemot 3 miljoner dollar.

"Med lågeffekts NV-sensorer, du skulle kunna tänka dig att ta en magnetoencefalografimaskin i rumsstorlek och förvandla den till något som liknar en hjälm, drastiskt minska storleken och kostnaderna, " sa Labanowski.

Sensorerna kan också placeras i flygplan eller drönare för att hjälpa till att upptäcka sällsynta jordartsmetaller under jorden, eller används i mobiltelefoner för att förbättra navigeringen.

Magnetfältsdetektering är bara en tillämpning av NV-centra, säger Salahuddin. Teamet planerar att förfina sin teknologi för att använda NV-center och andra typer av kvantsystem i en mängd olika applikationer.

"Medan vi betonade magnetfältsavkänning, vårt arbete kan leda till elektrisk manipulation av kvantsystem i allmänhet med mycket bredare tillämpningsområden inklusive kvantberäkning, sa Salahuddin.