Tänk dig att försöka förstå kakofonin hos en högtalare som spelar fyra låtar samtidigt, och du har en aning om utmaningen som Jenny Schloss och Matt Turner står inför.

I deras strävan att bygga ett verktyg som använder NV-centra-atomskala föroreningar i diamanter-för att känna av magnetfält i allt från avfyrande neuroner till kondenserade system, paret Ph.D. kandidater från Graduate School of Arts and Sciences har utvecklat en metod som samtidigt kan upptäcka magnetfält i olika riktningar. Schloss och Turner arbetade med postdoc John Barry (nu forskare vid MIT Lincoln Laboratory) i Ronald Walsworths laboratorium, en fakultetsmedlem i Harvards Center for Brain Science och Institutionen för fysik.

Schloss, Svarvare, och Barry bombade en liten, 4 millimeter-kvadratisk skiva av diamant med fyra olika mikrovågssignaler, var och en var avstämd för att övervaka en specifik NV-orientering och dithered enligt ett unikt frekvensmoduleringsmönster (FM). Forskarna kunde sedan samtidigt mäta hur varje NV -orientering reagerade på olika riktningar av ett magnetfält - nästan som om de lyssnade på fyra FM -radiostationer samtidigt. Arbetet beskrivs i en ny artikel publicerad i Fysisk granskning tillämpad .

Forskarna sa att det nya verktyget representerar en markant förbättring från tidigare tekniker, vilket krävde att forskare gick igenom den tidskrävande processen att sekventiellt växla mellan mikrovågsfrekvenser för att övervaka svaret från olika orienterade NV-centra.

"Men med denna nya metod, vi kan göra dem alla samtidigt, "Turner sa." Det gamla sättet, det var bra för processer som var långsamma. Men för snabba saker som biomagnetiska fält som produceras genom att avfyra neuroner, vi måste göra bättre än så, annars missar vi lite information. "

"Så vi samlar in denna konstanta ström av data från diamanten när magnetfältet förändras, "Schloss tillagd." Och vi kan bearbeta det snabbare än vi samlar in det, så att vi kan upptäcka det dynamiska magnetfältets riktning och amplitud i realtid. "

Verktyget bygger på tidigare arbete av Schloss, Svarvare, Barry, och andra, som använde NV -centra i diamanter för att upptäcka neurala signaler i marina maskar.

"Det var ett stort bevis på principen. Men ett allmänt användbart neurovetenskapligt verktyg bör vara kompatibelt med däggdjursneuroner, "Schloss sa." Men det är utmanande eftersom en rad eldningsneuroner producerar magnetfält orienterade i alla riktningar. Denna teknik löser detta problem för neuronmagnetisk avkänning och andra framtida tillämpningar. "

En anledning till att NV -centra är idealiska för uppgiften, Schloss och Turner sa:har att göra med hur de är ordnade i diamantgitteret.

"Om du tar en diamant, du får ett NV -centrum när du ersätter en kolatom med en kväveatom och ett intilliggande kol med en vakans, "Sa Schloss." I gallret, varje atom är ansluten till fyra andra atomer, så det finns fyra möjliga NV -orienteringar, och varje orientering är mest känslig för magnetfält som pekar i den riktningen. Så genom att använda alla fyra typer av NV:er, du kan ta reda på vilken riktning magnetfältet pekar. "

Att mäta magnetfältet som detekteras av de olika orienterade NV -centren är lättare sagt än gjort. Det nya systemet innebär att man placerar en diamantskiva i ett labgenererat magnetfält och sedan lyser en laser på den, orsakar att materialet fluorescerar. När NV -centren svarar på förändringar i magnetfältet såväl som det speciella FM -mikrovågssignalsmönstret, ljusstyrkan för NV -fluorescensen förändras på ett distinkt sätt. Genom att spåra dessa ändringar, forskarna kan skapa en 3D-bild av magnetfältet.

"Det statiska fältet är det som interagerar med de olika NV -orienteringarna, "Turner sa." Och när vi demodulerar den där mikrovågssignalen, vi kan upptäcka signalen från var och en av dem. "

"Det är innovationen - att använda fyra FM -mikrovågstoner samtidigt, "Schloss tillagd." Nu kan vi samtidigt mäta alla fyra NV -orienteringar samtidigt och bestämma magnetfältet snabbare än tidigare, som att lyssna på fyra FM -radiostationer samtidigt och få allt att vara meningsfullt. "

Även om tekniken ännu inte har demonstrerats med däggdjursneuroner, Schloss sa, studien är ett viktigt bevis på konceptet för ett verktyg som en dag kan ha bred användning.

"Det vi gillar med det här är att det är allmänt tillämpbart, och det är egentligen bara en mindre experimentell uppgradering till vad människor redan gör, "sa hon." Vi förväntar oss att detta kan antas mycket brett inom biologi, i fysik med kondensat material, och någon annanstans. "

Denna berättelse publiceras med tillstånd av Harvard Gazette, Harvarduniversitetets officiella tidning. För ytterligare universitetsnyheter, besök Harvard.edu.