量子传感方法测量微小的磁场

2019-06-12 20:41:57

麻省理工学院的研究人员开发了一种测量原子级磁场的新方法,不仅可以上下也可以侧向测量。这种新工具可用于多种应用,例如将电脉冲映射到激发神经元内,表征新的磁性材料,以及探测奇异的量子物理现象。

研究生Yi-Xiang Liu,前研究生Ashok Ajoy和核科学与工程教授Paola Cappellaro在一篇论文“ 物理评论快报”中描述了这种新方法 。

该技术建立在已经开发的平台上,用于高精度探测磁场,使用称为氮空位(NV)中心的金刚石中的微小缺陷。这些缺陷由钻石有序碳原子晶格中的两个相邻位置组成,其中碳原子缺失; 其中一个被氮原子取代,另一个留空。这会在结构中留下缺失的键,电子对环境中的微小变化非常敏感,无论是电,磁还是光。

以前使用单个NV中心来检测磁场非常精确,但只能测量沿传感器轴对齐的单一尺寸变化。但是对于某些应用,例如通过测量每个发射脉冲的确切方向来绘制神经元之间的连接,测量磁场的侧向分量也是有用的。

本质上,新方法通过使用氮原子核自旋提供的辅助振荡器解决了这个问题。待测量场的侧向分量推动了辅助振荡器的方向。通过将其略微偏离轴线,侧向分量引起一种摆动,其表现为与传感器对准的场的周期性波动,从而将该垂直分量转换成叠加在初级静态磁场测量上的波形图案。然后可以在数学上将其转换回来以确定侧向分量的大小。

Liu解释说,该方法在第二维中提供与第一维一样多的精度,同时仍使用单个传感器,从而保持其纳米级空间分辨率。为了读出结果,研究人员使用光学共聚焦显微镜,利用NV中心的特殊性质:当暴露在绿光下时,它们会发出红光或荧光,其强度取决于它们的精确自旋状态。这些NV中心可以用作量子位,量子计算相当于普通计算中使用的位。

“我们可以通过荧光来判断旋转状态,”刘解释道。“如果它是黑暗的,”产生更少的荧光,“这是'一个'状态,如果它是明亮的,那就是'零'状态,”她说。“如果荧光是介于两者之间的某个数字,则自旋状态介于'零'和'一'之间。”

一个简单的磁罗盘的针告诉磁场的方向,但不是它的强度。一些现有的用于测量磁场的装置可以做相反的操作,精确地沿一个方向测量场的强度,但是它们没有说明该场的整体方向。该方向信息是新探测器系统无法提供的。

在这种新的“指南针”中,刘说,“我们可以从荧光的亮度指出它的位置”,以及亮度的变化。主场由整体稳定的亮度水平表示,而通过敲击磁场离轴引入的摆动表现为该亮度的规则的波状变化,然后可以精确地测量。

刘说,这项技术的一个有趣应用是将钻石NV中心与神经元接触。当小区发射其动作电位以触发另一个小区时,系统不仅应该能够检测其信号的强度,还应该能够检测其方向,从而有助于绘制连接并查看哪些小区正在触发哪些其他小区。同样,在测试可能适用于数据存储或其他应用的新磁性材料时,新系统应能够详细测量材料中磁场的大小和方向。

与其他一些需要极低温度操作的系统不同,这种新的磁传感器系统可以在普通室温下很好地工作,Liu说,这样可以在不损坏生物样品的情况下测试生物样品。

这种新方法的技术已经可用。“你现在可以做到,但你需要先花一些时间来校准系统,”刘说。

目前,该系统仅提供磁场的总垂直分量的测量,而不是其精确定向。“现在,我们只提取总横向分量; 我们无法确定方向,“刘说。但是,可以通过引入添加的静态磁场作为参考点来添加第三维分量。“只要我们能够校准那个参考场,”她说,有可能得到关于场地方向的完整三维信息,并且“有很多方法可以做到这一点。”

以色列威兹曼研究所化学物理高级科学家阿米特芬克勒没有参与这项工作,他说:“这是一项高质量的研究。......它们对横向磁场的敏感度与平行场的直流灵敏度相当,这对于实际应用来说是令人印象深刻和令人鼓舞的。“

芬克勒补充道,“正如作者谦卑地写在手稿中,这确实是向量纳米级磁力测定的第一步。还有待观察他们的技术是否确实可以应用于实际样本,例如分子或凝聚态物质系统。“但是,他说,”最重要的是,作为这种技术的潜在用户/实施者,我印象非常深刻而且鼓励在我的实验设置中采用和应用这个方案。“