Real-Time 3D Magnetisch Veld Mapping Met Diamant NV Centra

• Een nieuw tool gebruikt het Nitrogen-Vacancy centrum defect in diamant om magnetische velden in verschillende richtingen tegelijkertijd te detecteren.
• Het creëert een 3D-afbeelding van magnetische velden in real-time.
• De technologie kan gebruikt worden in diverse velden, inclusief condensed-matter fysica en biologie.

Real-time sensing van een dynamisch vector magnetisch veld is vereist in talloze magnetometrie-toepassingen, zoals magnetische navigatie, biomagnetisch veld detectie en imaging, en magnetische anomaliëdetectie.

Scalaire magnetometers zijn in staat om alleen de grootte van het magnetische veld te meten, terwijl vector-projectie magnetometers het magnetische veld kunnen meten langs een specifieke as. Maar wat als u magnetische velden in verschillende richtingen allemaal tegelijk wilt meten?

Onlangs hebben onderzoekers van Harvard University een tool ontwikkeld die magnetische velden kan voelen in bijna alles, van condensed-matter systemen tot vuurende neuronen. Hiervoor gebruikt de tool een van de diverse puntdefecten in diamant genaamd Nitrogen-Vacancy (NV) centra. Het is in staat om magnetische velden in verschillende richtingen tegelijkertijd te detecteren.

Hoe Het Werkt?

De onderzoekers blootstelden een kleine 4-millimeter-kwadraat diamant wafer aan 4 verschillende microsignalen. Elk signaal was geconfigureerd om een specifieke NV-oriëntatie te meten en geditherd (wit ruis toegevoegd om vervorming van lage-amplitude signalen te verminderen) volgens een speciaal frequentie-modulatiepatroon. Hierdoor konden ze analyseren hoe individuele NV-oriëntaties zich gedroegen in verschillende magnetische veldrichtingen.

Tot nu toe is dit een vervelend en tijdrovend proces geweest van regelmatig wisselen tussen microfrequenties om de reactie van een enkele NV-oriëntatie tegelijk te observeren. De nieuwe tool vertegenwoordigt significante verbeteringen eerdere methodologieën.

De oude techniek werkt niet voor snelle processen zoals biomagnetische velden gegenereerd door vuurende 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 data van de diamant terwijl het magnetische veld fluctueert. De nieuwe tool kan deze data sneller verwerken dan het verzamelt, wat onderzoekers in staat stelt de amplitude en richting van een magnetisch veld in real-time te observeren.

Referentie: APSPhysics | doi:10.1103/PhysRevApplied.10.034044 | The Harvard Gazette

Het systeem is gebaseerd op eerdere onderzoek die diamant NV centra gebruikte om neurale signalen in zeewormen te identificeren. Het was slechts een proof of principle. Een effectief neurowetenschappelijk systeem moet compatibel zijn met zoogdierneuronen, maar aangezien vuurende neuronen magnetische velden genereren die in verschillende richtingen uitgelijnd zijn, is het maken van dergelijke systemen tamelijk moeilijk. Echter, de nieuw ontwikkelde tool hanteert al deze problemen van neuronale magnetische sensing.

Waarom Gebruiken Ze Nitrogen-Vacancy Centra?

Voor deze taak zijn NV centra perfect gerangschikt in het diamant rooster. Elk NV centrum wordt gecreëerd door één koolstofatoom te vervangen door een stikstofatoom en een aangrenzende vacature. Aangezien elk atoom verbonden is met 4 andere atomen, zijn er 4 mogelijke NV-oriëntaties, elk gevoelig voor magnetische velden georiënteerd in die richtingen. Dus men kan 4 soorten NV centra gebruiken om de richting van het magnetisch veld te bepalen.

Met dank aan onderzoekers

In dit experiment plaatsten onderzoekers een wafer van diamant in een magnetisch veld (geproduceerd in het lab) en projecteerden laserlicht erop, waardoor het mineraal schitterde. Toen NV centra reageerden op magnetische veldalteraties en uniek frequentie-modulatiepatroon, veranderde de helderheid van het NV centrum significant.

Onderzoekers volgen de veranderingen in helderheid en creëerden een 3D-afbeelding van het magnetische veld. Nu is het mogelijk om alle 4 NV-oriëntaties gelijktijdig te observeren en het magnetische veld in real-time te bepalen. Het is alsof u naar 4 verschillende radiozenders tegelijk luistert en ze allemaal samen Sinn geven.

Lees ook: De Sterkste Indoor Gepulste Magnetische Veld Ooit Gegenereerd

Hoewel het een kleine verbetering is van wat andere wetenschappers doen, geloven auteurs dat hun technologie in diverse velden gebruikt kan worden, inclusief condensed-matter fysica en biologie.