麻省理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)了一種測量原子級磁場(chǎng)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(fā)神經(jīng)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(xué)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(shù)建立在已經(jīng)開(kāi)發(fā)的平臺上，用于高精度探測磁場(chǎng)，使用稱(chēng)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(gè)相鄰位置組成，其中碳原子缺失; 其中一個(gè)被氮原子取代，另一個(gè)留空。這會(huì )在結構中留下缺失的鍵，電子對環(huán)境中的微小變化非常敏感，無(wú)論是電，磁還是光。
以前使用單個(gè)NV中心來(lái)檢測磁場(chǎng)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(guò)測量每個(gè)發(fā)射脈沖的確切方向來(lái)繪制神經(jīng)元之間的連接，測量磁場(chǎng)的側向分量也是有用的。
本質(zhì)上，新方法通過(guò)使用氮原子核自旋提供的輔助振蕩器解決了這個(gè)問(wèn)題。待測量場(chǎng)的側向分量推動(dòng)了輔助振蕩器的方向。通過(guò)將其略微偏離軸線(xiàn)，側向分量引起一種擺動(dòng)，其表現為與傳感器對準的場(chǎng)的周期性波動(dòng)，從而將該垂直分量轉換成疊加在初級靜態(tài)磁場(chǎng)測量上的波形圖案。然后可以在數學(xué)上將其轉換回來(lái)以確定側向分量的大小。
Liu解釋說(shuō)，該方法在第二維中提供與第一維一樣多的精度，同時(shí)仍使用單個(gè)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(xué)共聚焦顯微鏡，利用NV中心的特殊性質(zhì)：當暴露在綠光下時(shí)，它們會(huì )發(fā)出紅光或熒光，其強度取決于它們的精確自旋狀態(tài)。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(guò)熒光來(lái)判斷旋轉狀態(tài)，”劉解釋道。“如果它是黑暗的，”產(chǎn)生更少的熒光，“這是'一個(gè)'狀態(tài)，如果它是明亮的，那就是'零'狀態(tài)，”她說(shuō)。“如果熒光是介于兩者之間的某個(gè)數字，則自旋狀態(tài)介于'零'和'一'之間。”
一個(gè)簡(jiǎn)單的磁羅盤(pán)的針告訴磁場(chǎng)的方向，但不是它的強度。一些現有的用于測量磁場(chǎng)的裝置可以做相反的操作，精確地沿一個(gè)方向測量場(chǎng)的強度，但是它們沒(méi)有說(shuō)明該場(chǎng)的整體方向。該方向信息是新探測器系統無(wú)法提供的。
在這種新的“指南針”中，劉說(shuō)，“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(chǎng)由整體穩定的亮度水平表示，而通過(guò)敲擊磁場(chǎng)離軸引入的擺動(dòng)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(shuō)，這項技術(shù)的一個(gè)有趣應用是將鉆石NV中心與神經(jīng)元接觸。當小區發(fā)射其動(dòng)作電位以觸發(fā)另一個(gè)小區時(shí)，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(fā)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(shí)，新系統應能夠詳細測量材料中磁場(chǎng)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(shuō)，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(shù)已經(jīng)可用。“你現在可以做到，但你需要先花一些時(shí)間來(lái)校準系統，”劉說(shuō)。
目前，該系統僅提供磁場(chǎng)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(wú)法確定方向，“劉說(shuō)。但是，可以通過(guò)引入添加的靜態(tài)磁場(chǎng)作為參考點(diǎn)來(lái)添加第三維分量。“只要我們能夠校準那個(gè)參考場(chǎng)，”她說(shuō)，有可能得到關(guān)于場(chǎng)地方向的完整三維信息，并且“有很多方法可以做到這一點(diǎn)。”
以色列威茲曼研究所化學(xué)物理高級科學(xué)家阿米特芬克勒沒(méi)有參與這項工作，他說(shuō)：“這是一項高質(zhì)量的研究。......它們對橫向磁場(chǎng)的敏感度與平行場(chǎng)的直流靈敏度相當，這對于實(shí)際應用來(lái)說(shuō)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(xiě)在手稿中，這確實(shí)是向量納米級磁力測定的第一步。還有待觀(guān)察他們的技術(shù)是否確實(shí)可以應用于實(shí)際樣本，例如分子或凝聚態(tài)物質(zhì)系統。“但是，他說(shuō)，”最重要的是，作為這種技術(shù)的潛在用戶(hù)/實(shí)施者，我印象非常深刻而且鼓勵在我的實(shí)驗設置中采用和應用這個(gè)方案。“