Mapeo 3D de campo magnético en tiempo real usando centros NV en diamante

• Una nueva herramienta usa el defecto de centro de vacancia-nitrógeno (NV) en diamante para detectar simultáneamente campos magnéticos en diferentes direcciones.
• Crea una imagen 3D de campos magnéticos en tiempo real.
• La tecnología podría utilizarse en diversos campos, incluyendo física de materia condensada y biología.

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

Los magnetómetros escalares solo miden la magnitud del campo magnético, mientras que los magnetómetros de proyección vectorial miden la proyección del campo a lo largo de un eje particular. Pero, ¿qué pasa si quiere 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 en disparo. Para ello, la herramienta usa uno de los diversos defectos puntuales en el diamante llamados centros de Vacancia-Nitrógeno (NV). Es capaz de detectar campos magnéticos en diferentes direcciones simultáneamente.

¿Cómo funciona?

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

Hasta ahora, esto 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 sobre metodologías previas.

La técnica antigua no funciona para procesos rápidos como los campos biomagnéticos generados por neuronas en disparo. 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 mientras el campo magnético fluctuaba. La nueva herramienta puede procesar estos datos más rápido de lo que los recopila, permitiendo a los investigadores observar la amplitud y dirección de un campo magnético en tiempo real.

Referencia: APS Physics | doi:10.1103/PhysRevApplied.10.034044 | The Harvard Gazette

El sistema se basa en una investigación previa que usó centros NV de diamante para identificar señales neurales en gusanos marinos. Era solo una prueba de principio. Un sistema de neurociencia eficaz debe ser compatible con neuronas de mamíferos, pero como las neuronas en disparo generan campos magnéticos alineados en varias direcciones, crear tales sistemas es bastante difícil. Sin embargo, la herramienta recién desarrollada maneja todos estos problemas de detección magnética neuronal.

¿Por qué usaron centros de Vacancia-Nitrógeno?

Para esta tarea, los centros NV están dispuestos perfectamente en la red de diamante. Cada centro NV se crea reemplazando un átomo de carbono por un átomo de nitrógeno y una vacancia adyacente. Como cada átomo está unido a 4 otros átomos, hay 4 orientaciones NV posibles, cada una sensible a campos magnéticos orientados en esas direcciones. Así, se pueden usar 4 tipos de centros NV para determinar la dirección del campo magnético.

Cortesía de los investigadores

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

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

Lea también: El campo magnético pulsado más fuerte jamás generado en interiores

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