Наука и технологии

Новая антенна позволит разработать сверхчувствительные датчики магнитного поля

Физики предложили новую микроволновую антенну, которая создает однородное магнитное поле в большом объеме и позволяет синхронизировать электронные спины группы дефектов в структуре наноалмаза. Это можно использовать при создании сверхчувствительных магнитных сенсоров нового поколения для применения в магнитоэнцефалографии при изучении и диагностики эпилепсии и других заболеваний.


Результаты опубликованы в журнале JETP Letters.

Изучение характеристик магнитного поля необходимо во многих отраслях — от навигации до медицины. Например, магнитоэнцефалография позволяет зарегистрировать магнитные поля, возникающие при работе мозга, а также измерить активность отдельных нейронов. Этот метод используется при диагностике ряда заболеваний, включая эпилепсию и болезнь Альцгеймера, или при подготовке к операциям на головном мозге. Однако для магнитоэнцефалографии нужны сверхчувствительные магнитометры — приборы, которые фиксируют характеристики даже очень слабых магнитных полей.

Ученые постоянно ищут новые способы создания сверхчувствительных магнитометров нового поколения. Такие устройства должны работать при комнатной температуре, малых входных мощностях, быть компактными и недорогими. Для этого ученые предлагают, например, использовать в них наноалмазы — углеродные наноструктуры с высоким показателем преломления и высокой теплопроводностью, которые почти не взаимодействуют с другими веществами и могут содержать сложные дефекты внутренней структуры. Например, NV-центры или центры азот-вакансия.

«Такие дефекты создают искусственно: при удалении атома углерода из кристаллической решетки алмаза, образовавшаяся вакансия связывается с внедренным атомом азота. Уникальность структуры дефекта заключается в том, что электронные спины индивидуального центра манипулируются электромагнитными полями. В зависимости от свойств окружающего микроволнового магнитного поля состояние электронного спина NV-центра меняется, и это можно считывать оптическими методами», — объясняет один из авторов работы, научный сотрудник Университета ИТМО Дмитрий Зуев.

Тем не менее отклик одного NV-центра недостаточно силен, поэтому, чтобы улучшить чувствительность сенсоров, нужно использовать целые группы таких дефектов. При этом возникает проблема: реакцию электронных спинов всех центров в объеме наноалмаза необходимо когерентно синхронизировать. Иными словами, все они должны находиться в микроволновом магнитном поле одинаковой интенсивности, чтобы их отклик был одинаковым.

Российские ученые предложили использовать диэлектрическую микроволновую антенну для того, чтобы одновременно управлять электронными спинами NV-центров в большом объеме наноалмаза. Антенна представляет собой диэлектрический цилиндр с внутренним отверстием, возбуждаемый электрическим током. В центр отверстия антенны помещают наноалмаз со множеством NV-центров. При подаче входной мощности порядка 5 Вт диэлектрический цилиндр создает сильное однородное магнитное поле вокруг наноалмаза. За счет этого электронные спины всех NV-центров синхронизируются одинаково и тем самым обеспечивают высокую чувствительность магнитометров.

antenna.jpgСхема микроволновой антенны, предназначенной для синхронизации электронных спинов группы дефектов в структуре наноалмаза

«Главным вызовом этой работы было добиться когерентного управления электронными спинами NV-центров во всем объеме коммерчески доступного образца наноалмаза. Мы предложили использовать для этого антенну на основе диэлектрического резонатора, рассчитали нужные параметры антенны и оценили ожидаемый эффект. Мы собрали экспериментальный образец и измерили частоту Раби, которая показывает, с какой периодичностью происходит «переворот» спина. Чем больше эта величина, тем лучше. Мы получили частоту Раби в 10 мегагерц. Такого значения в объемном образце никто еще не показывал экспериментально, это прорывной результат», — отмечает другой автор работы, Полина Капитанова из Университета ИТМО.

Измерение частоты Раби — первый шаг на пути к определению чувствительности нового датчика. Ученые планируют продолжить эксперименты и теоретические исследования по поиску новых конфигураций антенны, которые обеспечат еще более высокое качество магнитометров.

источник

МИР ВОКРУГ на GOOGLE PLAY

Реклама

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s