Ett nytt sätt att mäta magnetiska fält i atomskala med stor precision, inte bara upp och ner utan även i sidled, har utvecklats av forskare vid MIT. Det nya verktyget kan vara användbart i så mångsidiga applikationer som att kartlägga de elektriska impulserna inuti en avfyrande neuron, kännetecknar nya magnetiska material, och undersöka exotiska kvantfysiska fenomen.

Det nya tillvägagångssättet beskrivs idag i tidskriften Fysiska granskningsbrev i en uppsats av doktoranden Yi-Xiang Liu, tidigare doktorand Ashok Ajoy, och professor i kärnvetenskap och teknik Paola Cappellaro.

Tekniken bygger på en plattform som redan utvecklats för att undersöka magnetfält med hög precision, med små defekter i diamant som kallas nitrogen-vacancy (NV) centra. Dessa defekter består av två intilliggande platser i diamantens ordnade galler av kolatomer där kolatomer saknas; en av dem är ersatt av en kväveatom, och den andra lämnas tom. Detta lämnar saknade bindningar i strukturen, med elektroner som är extremt känsliga för små variationer i sin miljö, vare sig de är elektriska, magnetisk, eller ljusbaserad.

Tidigare användningar av enstaka NV -centra för att detektera magnetfält har varit extremt exakta men bara kunnat mäta dessa variationer längs en enda dimension, i linje med sensoraxeln. Men för vissa applikationer, som att kartlägga förbindelserna mellan neuroner genom att mäta den exakta riktningen för varje avfyringsimpuls, det skulle också vara användbart att mäta den sidledande komponenten i magnetfältet.

Väsentligen, den nya metoden löser det problemet genom att använda en sekundär oscillator som tillhandahålls av kväveatomns kärnspinn. Den sidledande delen av fältet som ska mätas knuffar in orienteringen för den sekundära oscillatorn. Genom att slå den lite utanför axeln, komponenten i sidled framkallar ett slags wobble som uppträder som en periodisk fluktuation av fältet i linje med sensorn, på så sätt omvandlar den vinkelräta komponenten till ett vågmönster överlagrat på den primära, mätning av statiskt magnetfält. Detta kan sedan matematiskt omvandlas tillbaka för att bestämma storleken på sidledskomponenten.

Metoden ger lika mycket precision i denna andra dimension som i den första dimensionen, Liu förklarar, medan du fortfarande använder en enda sensor, behåller därmed sin nanoskala rumsliga upplösning. För att läsa ut resultaten, forskarna använder ett optiskt konfokalt mikroskop som använder en särskild egenskap hos NV -centren:Vid exponering för grönt ljus, de avger ett rött sken, eller fluorescens, vars intensitet beror på deras exakta centrifugeringstillstånd. Dessa NV -center kan fungera som qubits, kvantberäkningsekvivalenten för bitarna som används i vanlig databehandling.

"Vi kan avgöra centrifugeringstillståndet från fluorescensen, "Förklarar Liu." Om det är mörkt, "producerar mindre fluorescens, "det är ett "ett" tillstånd, och om det är ljust, det är ett "noll" -tillstånd, "säger hon." Om fluorescensen är något tal däremellan är centrifugeringsläget någonstans mellan "noll" och "ett". "

Nålen på en enkel magnetisk kompass berättar riktningen för ett magnetfält, men inte dess styrka. Vissa befintliga enheter för att mäta magnetfält kan göra det motsatta, mäta fältets styrka exakt längs en riktning, men de berättar ingenting om den övergripande inriktningen av det fältet. Den riktningsinformationen är vad det nya detektorsystemet kan ge.

I denna nya typ av "kompass, "Liu säger, "Vi kan se var det pekar utifrån fluorescensens ljusstyrka, "och variationerna i den ljusstyrkan. Det primära fältet indikeras av övergripande, konstant ljusstyrka, Vobblingen som introduceras genom att slå magnetfältet utanför axeln visar sig som en vanlig, vågliknande variation av den ljusstyrkan, som sedan kan mätas exakt.

En intressant tillämpning för denna teknik skulle vara att sätta diamant NV-centra i kontakt med en neuron, säger Liu. När cellen avfyrar sin aktionspotential för att utlösa en annan cell, systemet bör kunna upptäcka inte bara intensiteten på sin signal, men också dess riktning, vilket hjälper till att kartlägga anslutningarna och se vilka celler som utlöser vilka andra. Liknande, vid testning av nya magnetiska material som kan vara lämpliga för datalagring eller andra applikationer, det nya systemet bör möjliggöra en detaljerad mätning av storleken och orienteringen av magnetfält i materialet.

Till skillnad från vissa andra system som kräver extremt låga temperaturer för att fungera, detta nya magnetiska sensorsystem kan fungera bra vid vanlig rumstemperatur, Liu säger, gör det möjligt att testa biologiska prover utan att skada dem.

Tekniken för detta nya tillvägagångssätt är redan tillgänglig. "Du kan göra det nu, men du måste först ta lite tid att kalibrera systemet, "Säger Liu.

Tills vidare, systemet tillhandahåller bara en mätning av den totala vinkelräta komponenten i magnetfältet, inte dess exakta orientering. "Nu, vi extraherar bara den totala tvärkomponenten; vi kan inte bestämma riktningen, "Säger Liu. Men tillägger att den tredimensionella komponenten kan göras genom att införa en extra, statiskt magnetfält som referenspunkt. "Så länge vi kan kalibrera referensfältet, " hon säger, det skulle vara möjligt att få fullständig tredimensionell information om fältets orientering, och "det finns många sätt att göra det."

Amit Finkler, en senior forskare i kemisk fysik vid Israels Weizmann Institute, som inte var inblandad i detta arbete, säger "Detta är forskning av hög kvalitet. ... De får en känslighet för tvärgående magnetiska fält i nivå med DC-känsligheten för parallella fält, vilket är imponerande och uppmuntrande för praktiska tillämpningar. "

Finkler tillägger, "Som författarna ödmjukt skriver i manuskriptet, detta är verkligen det första steget mot vektornanoskala magnetometri. Det återstår att se om deras teknik verkligen kan tillämpas på faktiska prover, såsom molekyler eller system för kondenserad materia." han säger, "Samlet är att som en potentiell användare/implementator av denna teknik, Jag är mycket imponerad och uppmuntras dessutom att anta och tillämpa detta schema i mina experimentella inställningar. "

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.