Een nieuwe manier om gelijktijdig magnetische velden in verschillende richtingen te detecteren

• Een nieuwe tool gebruikt het stikstof-Vacature-centrumdefect in diamant om gelijktijdig magnetische velden in verschillende richtingen te detecteren.
• Het creëert in realtime een 3D-beeld van magnetische velden.
• De technologie kan op verschillende gebieden worden gebruikt, waaronder fysica van de gecondenseerde materie en biologie.

De realtime detectie van een dynamisch vectormagneetveld is vereist in tal van magnetometrietoepassingen, zoals magnetische navigatie, detectie en beeldvorming van biomagnetische velden en detectie van magnetische anomalie.

Scalaire magnetometers kunnen alleen de grootte van het magnetische veld meten, terwijl vector-projectie magnetometers de magnetische veldprojectie langs een bepaalde as kunnen meten. Maar wat als u magnetische velden in verschillende richtingen tegelijk wilt meten.

Onlangs hebben onderzoekers van de Harvard University een hulpmiddel ontwikkeld dat magnetische velden kan detecteren in bijna alles, van systemen met gecondenseerde materie tot afvurende neuronen. Om dit te doen, gebruikt de tool een van de verschillende puntdefecten in diamant, de zogenaamde Nitrogen-Vacancy (NV) -centra. Het kan magnetische velden in verschillende richtingen tegelijkertijd detecteren.

Hoe werkt het?

De onderzoekers onderwierpen een kleine diamantwafel van 4 millimeter aan 4 verschillende microgolfsignalen. Elk signaal was geconfigureerd om een ​​bepaalde NV-oriëntatie te meten en werd geditherd (witte ruis toegevoegd om vervorming van signalen met lage amplitude te verminderen) volgens het speciale frequentiemodulatiepatroon. Hierdoor konden ze analyseren hoe individuele NV-oriëntatie zich gedroeg in verschillende magnetische veldrichtingen.

Tot nu toe was dit een vervelend en tijdrovend proces van regelmatig overschakelen tussen microgolffrequenties om de respons van een enkele NV-oriëntatie tegelijk te observeren. De nieuwe tool vertegenwoordigt aanzienlijke verbeteringen ten opzichte van eerdere methodologieën.

De oude techniek werkt niet voor snelle processen zoals biomagnetische velden die worden gegenereerd door het afvuren van neuronen. Het zou niet alle informatie kunnen vastleggen, maar de nieuwe techniek kan magnetische velden in verschillende richtingen tegelijkertijd meten.

In deze studie verzamelden onderzoekers een continue stroom gegevens van de diamant terwijl het magnetische veld fluctueert. De nieuwe tool kan deze gegevens sneller verwerken dan ze verzamelt, waardoor onderzoekers de amplitude en richting van een magnetisch veld in realtime kunnen observeren.

Referentie:APSfysica | doi:10.1103/PhysRevApplied.10.034044 | De Harvard Gazette

Het systeem is gebaseerd op eerder onderzoek waarbij de stikstof-vacaturecentra van diamant werden gebruikt om neurale signalen in zeewormen te identificeren. Het was gewoon een proof of principle. Een effectief neurowetenschappelijk systeem moet compatibel zijn met neuronen van zoogdieren, maar aangezien het afvuren van neuronen magnetische velden genereert die in verschillende richtingen zijn uitgelijnd, is het maken van dergelijke systemen vrij moeilijk. De nieuw ontwikkelde tool behandelt echter al deze problemen van magnetische detectie van neuronen.

Waarom gebruikten ze stikstof-vacaturecentra?

Voor deze taak zijn NV-centra perfect in het diamantrooster gerangschikt. Elk NV-centrum ontstaat door één koolstofatoom te vervangen door een stikstofatoom en een aangrenzende leegstand. Aangezien elk atoom is gekoppeld aan 4 andere atomen, zijn er 4 mogelijke NV-oriëntaties, elk is gevoelig voor magnetische velden die in die richtingen zijn georiënteerd. Men kan dus 4 soorten NV-centra gebruiken om de richting van het magnetische veld te bepalen.

Met dank aan onderzoekers 

In dit experiment plaatsten onderzoekers een schijfje diamant in een magnetisch veld (geproduceerd in het laboratorium) en projecteerden er een laserlicht op, waardoor het mineraal ging glanzen. Toen NV-centra reageerden op veranderingen in het magnetische veld en het unieke frequentiemodulatiepatroon, veranderde de helderheid van het NV-centrum aanzienlijk.

Onderzoekers volgden de veranderingen in helderheid en creëerden een 3D-beeld van het magnetische veld. Nu is het mogelijk om alle 4 NV-oriëntaties gelijktijdig te observeren en het magnetische veld in realtime te bepalen. Het is alsof je tegelijkertijd naar 4 verschillende radiozenders luistert en ze zijn allemaal logisch samen.

Lezen:het sterkste gepulseerde magnetische veld dat ooit is gegenereerd

Hoewel het een kleine verbetering is van wat andere wetenschappers doen, geloven auteurs dat hun technologie op verschillende gebieden kan worden gebruikt, waaronder fysica van de gecondenseerde materie en biologie.