Forskare från ITMO University och Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences har föreslagit en ny mikrovågsantenn som skapar ett enhetligt magnetfält i stor volym. Den kan uniformeras, sammanhängande adressering av de elektroniska snurrarna i en ensemble av nanodiamondstrukturdefekter. Detta kan användas för att skapa superkänsliga magnetfältsdetektorer för magnetoencefalografi vid studier och diagnos av epilepsi och andra sjukdomar. Resultaten publiceras i JETP bokstäver .

Att studera magnetfältsegenskaper är nödvändigt i många industrier, från navigering till medicin. Till exempel, magnetoencefalografi kan registrera magnetfält som härrör från hjärnaktivitet, samt mäta aktiviteten hos enskilda neuroner. Denna metod används vid diagnos av epilepsi och Alzheimers sjukdom, och förberedelse hjärnkirurgi. Dock, magnetoencefalografi kräver supersensitiva magnetometrar, enheter som registrerar egenskaperna hos mycket svaga magnetfält.

Därför, forskare letar ständigt efter nya sätt att skapa supersensitiva magnetometrar. Sådana enheter bör fungera i rumstemperatur med låg ineffekt. Dessutom, de ska vara kompakta och relativt billiga. Ett av de lovande alternativen inom detta område är nanodiamanter med defekter. Nanodiamanterna är kolnanostrukturer med högt brytningsindex och hög värmeledningsförmåga, som nästan inte har någon interaktion med andra ämnen. De kan innehålla komplexa inre strukturfel, såsom kväve-vakans (NV) centra.

"Sådana defekter kan skapas artificiellt. När en kolatom avlägsnas från diamantens kristallgitter, den resulterande vakansen är bunden till den implanterade kväveatomen. Strukturen för denna defekt är unik, eftersom de elektroniska centrifugeringarna i det enskilda centret manipuleras av elektromagnetiska fält. Beroende på egenskaperna hos det omgivande mikrovågsmagnetfältet, tillståndet för elektronspinnet i NV-centrum förändras, och detta kan spelas in med optiska metoder, "förklarar Dmitry Zuev, forskare vid fysik- och teknikfakulteten vid ITMO University.

Dock, eftersom svaret på ett enda NV-center inte är tillräckligt starkt, en ensemble av sådana defekter är nödvändig för att förbättra sensorernas känslighet. Det är här ett problem uppstår, eftersom reaktionen av elektronsnurrarna i alla centra i nanodiamanten måste behandlas och manipuleras på ett konsekvent sätt. Med andra ord, de måste alla befinna sig i ett mikrovågsmagnetfält med samma intensitet så att deras svar kan vara detsamma.

Forskare från ITMO-universitetet och Lebedev Physical Institute vid ryska vetenskapsakademien föreslog att man skulle använda en dielektrisk mikrovågsantenn för att koherent styra elektronspinnet i NV-centra i hela nanodiamondvolymen. Antennen representeras av en dielektrisk cylinder med ett inre hål som innehåller nanodiamond med många NV-centra. Detta system exciteras av en elektrisk ström. När en ingångseffekt på cirka 5 watt appliceras, den dielektriska cylindern skapar ett starkt enhetligt magnetfält runt nanodiamanten. Som ett resultat, elektronspinnarna i alla NV-centra synkroniseras på samma sätt och ger därmed en hög magnetometerskänslighet.

"Den främsta utmaningen med detta arbete var att uppnå sammanhängande kontroll av elektron-spinn i NV-centra i hela volymen av det kommersiellt tillgängliga nanodiamondprovet. Vi bestämde oss för att använda en antenn baserad på en dielektrisk resonator för detta. Vi beräknade den nödvändiga antennen parametrar och uppskattade den förväntade effekten. Experimentella studier utfördes i samarbete med forskargruppen för professor Alexey Akimov i Moskva. Vi tog ett experimentprov och mätte Rabi -frekvensen, som visar frekvensen med vilken elektronen snurrar kan manipuleras. Ju större detta värde, desto bättre. Vi fick en Rabi-frekvens på 10 megahertz. Ett sådant resultat visades aldrig experimentellt för ett volymprov tidigare, så detta är faktiskt ett genombrott, "sa Polina Kapitanova, forskare vid fysik- och teknikfakulteten vid ITMO University.

Att mäta Rabi-frekvensen är det första steget mot att bestämma den nya magnetometerns känslighet. Forskare planerar att fortsätta experiment och teoretiska studier, letar efter nya antennkonfigurationer som kommer att ge magnetometrar av ännu högre kvalitet.