量子傳感方法測量微小的磁場

2019-06-12 20:41:57

麻省理工學院的研究人員開發了一種測量原子級磁場的新方法,不僅可以上下也可以側向測量。這種新工具可用于多種應用,例如將電脈沖映射到激發神經元內,表征新的磁性材料,以及探測奇異的量子物理現象。

研究生Yi-Xiang Liu,前研究生Ashok Ajoy和核科學與工程教授Paola Cappellaro在一篇論文“ 物理評論快報”中描述了這種新方法 。

該技術建立在已經開發的平臺上,用于高精度探測磁場,使用稱為氮空位(NV)中心的金剛石中的微小缺陷。這些缺陷由鉆石有序碳原子晶格中的兩個相鄰位置組成,其中碳原子缺失; 其中一個被氮原子取代,另一個留空。這會在結構中留下缺失的鍵,電子對環境中的微小變化非常敏感,無論是電,磁還是光。

以前使用單個NV中心來檢測磁場非常精確,但只能測量沿傳感器軸對齊的單一尺寸變化。但是對于某些應用,例如通過測量每個發射脈沖的確切方向來繪制神經元之間的連接,測量磁場的側向分量也是有用的。

本質上,新方法通過使用氮原子核自旋提供的輔助振蕩器解決了這個問題。待測量場的側向分量推動了輔助振蕩器的方向。通過將其略微偏離軸線,側向分量引起一種擺動,其表現為與傳感器對準的場的周期性波動,從而將該垂直分量轉換成疊加在初級靜態磁場測量上的波形圖案。然后可以在數學上將其轉換回來以確定側向分量的大小。

Liu解釋說,該方法在第二維中提供與第一維一樣多的精度,同時仍使用單個傳感器,從而保持其納米級空間分辨率。為了讀出結果,研究人員使用光學共聚焦顯微鏡,利用NV中心的特殊性質:當暴露在綠光下時,它們會發出紅光或熒光,其強度取決于它們的精確自旋狀態。這些NV中心可以用作量子位,量子計算相當于普通計算中使用的位。

“我們可以通過熒光來判斷旋轉狀態,”劉解釋道。“如果它是黑暗的,”產生更少的熒光,“這是'一個'狀態,如果它是明亮的,那就是'零'狀態,”她說。“如果熒光是介于兩者之間的某個數字,則自旋狀態介于'零'和'一'之間。”

一個簡單的磁羅盤的針告訴磁場的方向,但不是它的強度。一些現有的用于測量磁場的裝置可以做相反的操作,精確地沿一個方向測量場的強度,但是它們沒有說明該場的整體方向。該方向信息是新探測器系統無法提供的。

在這種新的“指南針”中,劉說,“我們可以從熒光的亮度指出它的位置”,以及亮度的變化。主場由整體穩定的亮度水平表示,而通過敲擊磁場離軸引入的擺動表現為該亮度的規則的波狀變化,然后可以精確地測量。

劉說,這項技術的一個有趣應用是將鉆石NV中心與神經元接觸。當小區發射其動作電位以觸發另一個小區時,系統不僅應該能夠檢測其信號的強度,還應該能夠檢測其方向,從而有助于繪制連接并查看哪些小區正在觸發哪些其他小區。同樣,在測試可能適用于數據存儲或其他應用的新磁性材料時,新系統應能夠詳細測量材料中磁場的大小和方向。

與其他一些需要極低溫度操作的系統不同,這種新的磁傳感器系統可以在普通室溫下很好地工作,Liu說,這樣可以在不損壞生物樣品的情況下測試生物樣品。

這種新方法的技術已經可用。“你現在可以做到,但你需要先花一些時間來校準系統,”劉說。

目前,該系統僅提供磁場的總垂直分量的測量,而不是其精確定向。“現在,我們只提取總橫向分量; 我們無法確定方向,“劉說。但是,可以通過引入添加的靜態磁場作為參考點來添加第三維分量。“只要我們能夠校準那個參考場,”她說,有可能得到關于場地方向的完整三維信息,并且“有很多方法可以做到這一點。”

以色列威茲曼研究所化學物理高級科學家阿米特芬克勒沒有參與這項工作,他說:“這是一項高質量的研究。......它們對橫向磁場的敏感度與平行場的直流靈敏度相當,這對于實際應用來說是令人印象深刻和令人鼓舞的。“

芬克勒補充道,“正如作者謙卑地寫在手稿中,這確實是向量納米級磁力測定的第一步。還有待觀察他們的技術是否確實可以應用于實際樣本,例如分子或凝聚態物質系統。“但是,他說,”最重要的是,作為這種技術的潛在用戶/實施者,我印象非常深刻而且鼓勵在我的實驗設置中采用和應用這個方案。“