Квантовый метод измерения измеряет мельчайшие магнитные поля

Исследователи из Массачусетского технологического института разработали новый способ измерения магнитных полей атомного масштаба с большой точностью, не только вверх и вниз, но и в стороны. Новый инструмент может быть полезен в таких разнообразных приложениях, как отображение электрических импульсов внутри возбуждающего нейрона, определение характеристик новых магнитных материалов и исследование экзотических квантово-физических явлений.

Новый подход описан сегодня в журнале Physical Review Letters в статье аспиранта И-Сян Лю, бывшего аспиранта Ашока Ахджоя и профессора ядерной науки и техники Паолы Каппелларо.

Методика основана на платформе, уже разработанной для измерения магнитных полей с высокой точностью, с использованием крошечных дефектов в алмазе, называемых азотно-вакансионными (NV) центрами. Эти дефекты состоят из двух смежных мест в упорядоченной решетке атомов углерода в алмазе, где атомы углерода отсутствуют; один из них заменяется атомом азота, а другой остается пустым. Это оставляет недостающие связи в структуре с электронами, которые чрезвычайно чувствительны к крошечным изменениям в их среде, будь то электрические, магнитные или на основе света.

Предыдущие применения одиночных NV-центров для обнаружения магнитных полей были чрезвычайно точными, но они могли измерять эти изменения только по одному измерению, выровненному по оси датчика. Но для некоторых приложений, таких как отображение связей между нейронами путем измерения точного направления каждого импульса, было бы полезно также измерять боковую составляющую магнитного поля.

По сути, новый метод решает эту проблему с помощью вторичного генератора, обеспечиваемого ядерным спином атома азота. Боковая составляющая измеряемого поля смещает ориентацию вторичного генератора. Слегка отклоняя его от оси, боковой компонент вызывает колебание, которое проявляется в виде периодического колебания поля, совмещенного с датчиком, превращая этот перпендикулярный компонент в волновую картину, наложенную на первичное измерение статического магнитного поля. Затем это можно математически преобразовать обратно, чтобы определить величину поперечного компонента.

Этот метод обеспечивает такую ​​же точность во втором измерении, как и в первом измерении, поясняет Лю, при этом все еще используя один датчик, сохраняя тем самым его наноразмерное пространственное разрешение. Чтобы зачитать результаты, исследователи используют оптический конфокальный микроскоп, который использует особое свойство NV-центров: при воздействии зеленого света они испускают красное свечение или флуоресценцию, интенсивность которой зависит от их точного состояния вращения, Эти NV-центры могут функционировать как кубиты , квантово-вычислительный эквивалент битов, используемых в обычных вычислениях.

«Мы можем узнать состояние вращения по флуоресценции», — объясняет Лю. «Если темно,« производит меньше флуоресценции », это« единое »состояние, а если оно светлое, то это« нулевое »состояние, — говорит она. «Если флуоресценция находится между числом, то состояние вращения находится где-то между« нолем »и« единицей »».

Игла простого магнитного компаса указывает направление магнитного поля, но не его силу. Некоторые существующие устройства для измерения магнитных полей могут делать противоположное, измеряя напряженность поля точно в одном направлении, но они ничего не говорят об общей ориентации этого поля. Эта информация о направлении — это то, что новая система детекторов не может предоставить.

В этом новом виде «компаса», говорит Лю, «мы можем сказать, куда он указывает от яркости флуоресценции», и изменения в этой яркости. Основное поле обозначается общим устойчивым уровнем яркости, в то время как колебание, вызванное выбиванием магнитного поля вне оси, проявляется как регулярное волнообразное изменение этой яркости, которое затем можно точно измерить.

По словам Лю, интересным применением этого метода было бы приведение алмазных NV-центров в контакт с нейроном. Когда ячейка запускает свой потенциал действия для запуска другой ячейки, система должна быть способна обнаруживать не только интенсивность своего сигнала, но также и его направление, таким образом помогая наметить соединения и посмотреть, какие ячейки запускают, какие другие. Аналогичным образом, при испытании новых магнитных материалов, которые могут быть пригодны для хранения данных или других применений, новая система должна позволять детальное измерение величины и ориентации магнитных полей в материале.

По словам Лю, в отличие от некоторых других систем, которым для работы требуются крайне низкие температуры, эта новая система магнитных датчиков может хорошо работать при обычной комнатной температуре, что делает возможным тестирование биологических образцов без их повреждения.

Технология для этого нового подхода уже доступна. «Вы можете сделать это сейчас, но вам нужно сначала потратить некоторое время на калибровку системы», — говорит Лю.

На данный момент система обеспечивает измерение только общей перпендикулярной составляющей магнитного поля, а не его точной ориентации. «Теперь мы извлекаем только общий поперечный компонент, мы не можем точно определить направление», — говорит Лю. Но добавив , что третий компонент размерного может быть сделано путем введения добавленного, статическое магнитное поля в качестве опорной точки. «Пока мы можем откалибровать это эталонное поле, — говорит она, можно было бы получить полную трехмерную информацию об ориентации поля, — и есть много способов сделать это».

Амит Финклер, старший научный сотрудник по химической физике в Израильском институте Вейцмана, который не принимал участия в этой работе, говорит: «Это высококачественные исследования.… Они получают чувствительность к поперечным магнитным полям наравне с чувствительностью постоянного токадля параллельных полей, которая впечатляет и обнадеживает для практического применения. «

Финклер добавляет: «Как смиренно пишут авторы в рукописи, это действительно первый шаг к векторной наноразмерной магнитометрии. Еще неизвестно, действительно ли их метод может быть применен к реальным образцам, таким как молекулы или системы конденсированных сред». Тем не менее, он говорит: «Суть в том, что как потенциальный пользователь / разработчик этой методики, я очень впечатлен и, кроме того, поощряюсь применять и применять эту схему в моих экспериментальных установках».

Источник информации: https://phys.org/news/2019-03-quantum-method-minuscule-magnetic-fields.html#jCp

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...