Magnetometr diamentowy bije rekordy czułości

W 1896 roku młody fizyk Pieter Zeeman został zwolniony za przeprowadzenie eksperymentu wbrew konkretnym życzeniom kierownika laboratorium. Pomimo konsekwencji eksperyment doprowadził do niezwykłego odkrycia, które zmieniło życie Zeemana.

Eksperyment polegał na pomiarze światła emitowanego przez elementy umieszczone w silnym polu magnetycznym. Kiedy to zrobił, Zeeman odkrył, że linie widmowe zostały rozszczepione przez pole. W 1902 otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za to odkrycie, które jest obecnie znane jako efekt Zeemana.

Jest szczególnie przydatny do pomiaru pól magnetycznych na odległość. Na przykład astrofizycy używają go do mapowania zmian pola magnetycznego na Słońcu. Ale może być również używany do mierzenia pól na znacznie mniejszą skalę. Teoretycznie efekt można wykorzystać do obserwacji wpływu pola magnetycznego na pojedynczy atom.

Chociaż nie zaszli tak daleko, Thomas Wolf z Uniwersytetu w Stuttgarcie w Niemczech i kilku kumpli zbliżyli się całkiem blisko. Ci faceci wykorzystali widma atomów azotu osadzonych w diamencie do zbudowania prawdopodobnie najczulszego magnetometru, jaki kiedykolwiek powstał. Mówią, że ich nowe urządzenie może wkrótce być w stanie mierzyć pole magnetyczne związane z protonami.

Najpierw trochę informacji o magnetometrach. W ostatnich latach fizycy stworzyli coraz bardziej czułe magnetometry przy użyciu różnych technik. Jednym z problemów, z którymi wszyscy się spotykają, jest to, że pola magnetyczne zanikają bardzo szybko wraz z odległością, jak 1/r^3.

Oznacza to, że rozmiar czujnika ma istotny wpływ na to, co może wykryć, ponieważ pole magnetyczne może się znacznie zmieniać w całej objętości czujnika. Dlatego ważnym zadaniem jest jak najmniejsze magnetometry.

W tym miejscu pojawia się diament. Diament to trójwymiarowy kryształ wykonany z węgla. Jednak gdy atom węgla w strukturze zostanie zastąpiony azotem, powstaje dodatkowy niezwiązany elektron.

Kiedy ten elektron jest wzbudzany światłem lasera, następnie fluoryzuje z częstotliwością zależną od otoczenia. W szczególności pole magnetyczne może zmienić tę częstotliwość poprzez efekt Zeemana, czyniąc defekty azotowe diamentu obiecującym typem magnetometru.

Oczywiście adresowanie pojedynczego atomu w takiej strukturze i dokładne rejestrowanie jego fluorescencji to trudna sprawa. Tak więc Wolf i spółka wykorzystują cały zespół defektów azotowych w objętości diamentu zajmującej zaledwie ułamek milimetra sześciennego. Szacują, że zawiera on kilka miliardów atomów azotu.

Chociaż środek tego rozmiaru jest o wiele rzędów wielkości większy niż pojedynczy atom, wytwarza sygnał fluorescencyjny, który jest znacznie łatwiejszy do zmierzenia. To sprawia, że ​​urządzenie jest praktyczne. Nawet przy tym rozmiarze magnetometr jest jednym z najmniejszych, jakie kiedykolwiek wyprodukowano.

Aby dowiedzieć się, jak czułe, Wolf i spółka poddali urządzenie próbie, starannie eliminując hałas na każdym kroku. Wyniki są imponujące. Zespół ostatecznie zmierzył natężenie pola na poziomie zaledwie 100 femtoTesli. Jest to porównywalne z najbardziej czułymi magnetometrami na świecie. Uważają, że mogą działać jeszcze lepiej dzięki stosunkowo prostym ulepszeniom, które powinny zwiększyć czułość o dwa rzędy wielkości.

Ale o to chodzi: to, co wyróżnia to urządzenie, to to, że jest małe oraz wrażliwe, połączenie, które nigdy wcześniej nie zostało osiągnięte. To sprawia, że ​​to urządzenie jest swego rodzaju rekordzistą. Może mierzyć natężenia pola magnetycznego w niewielkich objętościach, które nigdy wcześniej nie były dostępne. Innymi słowy, umożliwia wykrywanie natężenia pola magnetycznego na zupełnie nową skalę za pomocą urządzenia półprzewodnikowego, które działa w temperaturze pokojowej.

Jednym z celów w tej dziedzinie jest pomiar pól magnetycznych protonów w wodzie. Czułość tego urządzenia ma to umożliwić. Już ta wartość pozwala na wykrycie spinów protonów w mikroskopijnej rozdzielczości w czasie krótszym niż jedna sekunda, mówi Wolf i spółka.

Magnetometry są używane w szerokim zakresie zastosowań, od eksploracji minerałów i archeologii po pozycjonowanie systemów uzbrojenia i monitory bicia serca. Tak więc solidne, bardzo czułe urządzenie półprzewodnikowe, które działa w temperaturze pokojowej, może się przydać. Zeeman byłby pod wrażeniem.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1411.6553 : Magnetometr diamentowy Subpicotesla

ukryć