Una nueva forma de detectar campos magnéticos simultáneamente en varias direcciones

• Una nueva herramienta utiliza el defecto del centro de vacancia de nitrógeno en el diamante para detectar simultáneamente campos magnéticos en diferentes direcciones.
• Crea una imagen 3D de campos magnéticos en tiempo real.
• La tecnología podría utilizarse en varios campos, incluida la física y la biología de la materia condensada.

La detección en tiempo real de un campo magnético vectorial dinámico se requiere en numerosas aplicaciones de magnetometría, como navegación magnética, detección e imágenes de campos biomagnéticos y detección de anomalías magnéticas.

Los magnetómetros escalares son capaces de medir solo la magnitud del campo magnético, mientras que los magnetómetros de proyección vectorial pueden medir la proyección del campo magnético a lo largo de un eje particular. Pero, ¿qué sucede si desea medir campos magnéticos en diferentes direcciones a la vez?

Recientemente, investigadores de la Universidad de Harvard han desarrollado una herramienta que puede detectar campos magnéticos en casi todo, desde sistemas de materia condensada hasta neuronas encendidas. Para hacer esto, la herramienta usa uno de los varios defectos puntuales en el diamante llamados centros de Nitrogen-Vacancy (NV). Es capaz de detectar campos magnéticos en diferentes direcciones simultáneamente.

¿Cómo funciona?

Los investigadores sometieron una pequeña oblea de diamante de 4 milímetros cuadrados a 4 señales de microondas diferentes. Cada señal se configuró para medir una orientación NV particular y difuminada (ruido blanco agregado para disminuir la distorsión de las señales de baja amplitud) según el patrón especial de modulación de frecuencia. Esto les permitió analizar cómo se comportaba la orientación NV individual en diferentes direcciones del campo magnético.

Hasta ahora, este ha sido un proceso tedioso y lento de transición regular entre frecuencias de microondas para observar la respuesta de una sola orientación NV a la vez. La nueva herramienta representa mejoras significativas con respecto a las metodologías anteriores.

La vieja técnica no funciona para procesos rápidos como los campos biomagnéticos generados por neuronas encendidas. No podría capturar toda la información, pero la nueva técnica puede medir campos magnéticos en varias direcciones al mismo tiempo.

En este estudio, los investigadores recopilaron un flujo continuo de datos del diamante a medida que el campo magnético fluctúa. La nueva herramienta puede procesar estos datos más rápido de lo que los recopila, lo que permite a los investigadores observar la amplitud y la dirección de un campo magnético en tiempo real.

Referencia:APSPhysics | doi:10.1103 / PhysRevApplied.10.034044 | La Gaceta de Harvard

El sistema se basa en una investigación anterior que utilizó los centros de vacantes de nitrógeno de los diamantes para identificar señales neuronales en gusanos marinos. Fue solo una prueba de principio. Un sistema de neurociencia eficaz debe ser compatible con las neuronas de los mamíferos, pero dado que las neuronas que se activan generan campos magnéticos que están alineados en varias direcciones, hacer tales sistemas es bastante difícil. Sin embargo, la herramienta recientemente desarrollada maneja todos estos problemas de detección magnética de neuronas.

¿Por qué utilizaron centros de vacantes de nitrógeno?

Para esta tarea, los centros NV están perfectamente dispuestos en la celosía de diamantes. Cada centro NV se crea reemplazando un átomo de carbono con un átomo de nitrógeno y una vacante adyacente. Dado que cada átomo está vinculado a otros 4 átomos, hay 4 posibles orientaciones NV, cada una es sensible a los campos magnéticos orientados en esas direcciones. Por lo tanto, se pueden usar 4 tipos de centros NV para determinar la dirección del campo magnético.

Cortesía de investigadores

En este experimento, los investigadores colocaron una oblea de diamante en un campo magnético (producido en el laboratorio) y proyectaron una luz láser sobre ella, haciendo que el mineral brille. Cuando los centros de NV reaccionaron a las alteraciones del campo magnético y al patrón de modulación de frecuencia único, el brillo del centro de NV cambió significativamente.

Los investigadores rastrearon los cambios en el brillo y crearon una imagen en 3D del campo magnético. Ahora es posible observar las 4 orientaciones NV al mismo tiempo y determinar el campo magnético en tiempo real. Es como escuchar 4 canales de radio diferentes al mismo tiempo y todos tienen sentido juntos.

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Aunque es una pequeña mejora de lo que están haciendo otros científicos, los autores creen que su tecnología podría utilizarse en varios campos, incluida la física y la biología de la materia condensada.