Eine neue Methode zur gleichzeitigen Detektion von Magnetfeldern in verschiedenen Richtungen

• Ein neues Werkzeug verwendet den Stickstoff-Leerstellen-Zentrumsdefekt in Diamant, um gleichzeitig Magnetfelder in verschiedenen Richtungen zu detektieren.
• Es erstellt ein 3D-Bild von Magnetfeldern in Echtzeit.
• Die Technologie könnte in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, einschließlich der Physik der kondensierten Materie und der Biologie.

Die Echtzeiterfassung eines dynamischen Vektormagnetfelds ist in zahlreichen Magnetometrieanwendungen erforderlich, wie z. B. magnetische Navigation, Erkennung und Bildgebung biomagnetischer Felder sowie Erkennung magnetischer Anomalien.

Skalarmagnetometer können nur die Stärke des Magnetfelds messen, während Vektorprojektions-Magnetometer die Magnetfeldprojektion entlang einer bestimmten Achse messen können. Aber was ist, wenn Sie Magnetfelder in verschiedenen Richtungen gleichzeitig messen möchten.

Vor kurzem haben Forscher der Harvard University ein Werkzeug entwickelt, das Magnetfelder in fast allem messen kann, von Systemen aus kondensierter Materie bis hin zu feuernden Neuronen. Dazu verwendet das Werkzeug einen der verschiedenen Punktdefekte im Diamanten, die sogenannten Nitrogen-Vacancy (NV)-Zentren. Es ist in der Lage, gleichzeitig Magnetfelder in verschiedenen Richtungen zu erkennen.

Wie es funktioniert?

Die Forscher setzten einen kleinen 4-Millimeter-Quadrat-Diamantwafer vier verschiedenen Mikrowellensignalen aus. Jedes Signal wurde konfiguriert, um eine bestimmte NV-Orientierung zu messen, und wurde gemäß dem speziellen Frequenzmodulationsmuster gedithert (weißes Rauschen hinzugefügt, um die Verzerrung von Signalen niedriger Amplitude zu verringern). Dadurch konnten sie analysieren, wie sich die individuelle NV-Orientierung in verschiedenen Magnetfeldrichtungen verhalten hat.

Bisher war dies ein mühsamer und zeitaufwändiger Prozess des regelmäßigen Wechsels zwischen Mikrowellenfrequenzen, um die Reaktion einer einzelnen NV-Ausrichtung gleichzeitig zu beobachten. Das neue Tool stellt erhebliche Verbesserungen gegenüber früheren Methoden dar.

Die alte Technik funktioniert nicht für schnelle Prozesse wie biomagnetische Felder, die durch das Feuern von Neuronen erzeugt werden. Es wäre nicht in der Lage, alle Informationen zu erfassen, aber die neue Technik kann Magnetfelder in verschiedenen Richtungen gleichzeitig messen.

In dieser Studie sammelten die Forscher einen kontinuierlichen Datenstrom vom Diamanten, während das Magnetfeld schwankt. Das neue Tool kann diese Daten schneller verarbeiten als es sammelt, sodass Forscher die Amplitude und Richtung eines Magnetfelds in Echtzeit beobachten können.

Referenz:APSPhysics | doi:10.1103/PhysRevApplied.10.034044 | Die Harvard Gazette

Das System basiert auf einer früheren Forschung, bei der die Nitrogen-Vacancy-Zentren von Diamond verwendet wurden, um neuronale Signale in Meereswürmern zu identifizieren. Es war nur ein Beweis des Prinzips. Ein wirksames neurowissenschaftliches System muss mit Neuronen von Säugetieren kompatibel sein, aber da feuernde Neuronen Magnetfelder erzeugen, die in verschiedene Richtungen ausgerichtet sind, ist die Herstellung solcher Systeme ziemlich schwierig. Das neu entwickelte Tool behandelt jedoch alle diese Probleme der magnetischen Neuronenerkennung.

Warum haben sie Stickstoff-Vakanzzentren genutzt?

Für diese Aufgabe werden NV-Zentren perfekt im Rautengitter angeordnet. Jedes NV-Zentrum wird erzeugt, indem ein Kohlenstoffatom durch ein Stickstoffatom und eine angrenzende Leerstelle ersetzt wird. Da jedes Atom mit 4 anderen Atomen verbunden ist, gibt es 4 mögliche NV-Orientierungen, von denen jede auf Magnetfelder anspricht, die in diese Richtungen orientiert sind. Somit kann man 4 Arten von NV-Zentren verwenden, um die Richtung des Magnetfelds zu bestimmen.

Mit freundlicher Genehmigung der Forscher 

In diesem Experiment platzierten die Forscher eine Diamantscheibe in einem Magnetfeld (im Labor hergestellt) und projizierten ein Laserlicht darauf, wodurch das Mineral zum Leuchten gebracht wurde. Als NV-Zentren auf Magnetfeldänderungen und ein einzigartiges Frequenzmodulationsmuster reagierten, änderte sich die Helligkeit des NV-Zentrums erheblich.

Die Forscher verfolgten die Helligkeitsänderungen und erstellten ein 3D-Bild des Magnetfelds. Jetzt ist es möglich, alle 4 NV-Orientierungen gleichzeitig zu beobachten und das Magnetfeld in Echtzeit zu bestimmen. Es ist, als würde man 4 verschiedene Radiokanäle gleichzeitig hören und alle zusammen ergeben einen Sinn.

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Obwohl dies eine kleine Verbesserung gegenüber dem, was andere Wissenschaftler tun, ist, glauben die Autoren, dass ihre Technologie in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden könnte, einschließlich der Physik der kondensierten Materie und der Biologie.