211service.com
Diamantmagnetometer slår känslighetsrekord
Redan 1896 fick en ung fysiker vid namn Pieter Zeeman sparken för att ha utfört ett experiment mot sin laboratoriehandledares specifika önskemål. Trots konsekvenserna ledde experimentet till en anmärkningsvärd upptäckt som förändrade Zeemans liv.
Experimentet gick ut på att mäta ljuset som sänds ut av element placerade i ett kraftfullt magnetfält. När han gjorde detta upptäckte Zeeman att spektrallinjerna delades av fältet. 1902 tilldelades han Nobelpriset i fysik för denna upptäckt som nu är känd som Zeeman-effekten.
Det är särskilt användbart för att mäta magnetiska fält på avstånd. Till exempel använder astrofysiker det för att kartlägga variationer i magnetfältet på solen. Men den kan också användas för att mäta fält i mycket mindre skala. I teorin kan effekten användas för att observera påverkan av ett magnetfält på en enda atom.
Även om de inte har kommit så långt, har Thomas Wolf vid universitetet i Stuttgart i Tyskland och några kompisar kommit ganska nära. Dessa killar har använt spektra från kväveatomer inbäddade i diamant för att bygga den kanske mest känsliga magnetometern som någonsin gjorts. De säger att deras nya enhet snart skulle kunna mäta det magnetiska fältet som är associerat med protoner.
Först lite bakgrund om magnetometrar. Under de senaste åren har fysiker gjort allt känsligare magnetometrar med en mängd olika tekniker. Ett problem som de alla stöter på är att magnetfält avtar mycket snabbt med avstånd, som 1/r^3.
Det betyder att storleken på sensorn har en viktig inverkan på vad den kan detektera, eftersom magnetfältet kan förändras avsevärt genom hela sensorns volym. Så en viktig uppgift är att göra magnetometrar så små som möjligt.
Det är där diamant kommer in. Diamant är en tredimensionell kristall gjord av kol. Men när en kolatom i strukturen ersätts med kväve, producerar detta ytterligare en obunden elektron.
När denna elektron exciteras med laserljus fluorescerar den sedan med en frekvens som beror på dess omgivning. Särskilt ett magnetfält kan ändra denna frekvens, via Zeeman-effekten, vilket gör kvävedefekter i diamant till en lovande typ av magnetometer.
Att adressera en enskild atom i en sådan struktur och registrera dess fluorescens korrekt är naturligtvis en knepig sak. Så Wolf och co använder en hel ensemble av kvävedefekter i en diamantvolym som upptar bara en bråkdel av en kubikmillimeter. De uppskattar att detta innehåller flera miljarder kväveatomer.
Även om ett centrum av denna storlek är många storleksordningar större än en enskild atom, producerar det en fluorescerande signal som är mycket lättare att mäta. Det gör enheten praktisk. Även i denna storlek är magnetometern en av de minsta som någonsin gjorts.
För att ta reda på hur känsligt, satte Wolf och co enheten genom sina steg, och eliminerade försiktigt brus vid varje steg. Resultaten är imponerande. Teamet mätte så småningom en fältstyrka på endast 100 femtoTesla. Det är jämförbart med de känsligaste magnetometrarna på planeten. Och de tror att de kan bli ännu bättre med relativt enkla förbättringar som borde öka känsligheten med två storleksordningar.
Men här är grejen: det unika med den här enheten är att den både är liten och känslig, en kombination som aldrig har uppnåtts tidigare. Det gör den här enheten till en sorts rekordbrytare. Den kan mäta magnetfältstyrkor i små volymer som aldrig har varit tillgängliga tidigare. Med andra ord, det öppnar upp för detektering av magnetfältstyrka i en helt ny skala med hjälp av en solid state-enhet som fungerar vid rumstemperatur.
Ett mål inom detta område är att mäta magnetfälten för protoner i vatten. Den här enhetens känslighet ser ut att göra detta möjligt. Detta värde i sig möjliggör detektering av protonsnurr i en mikroskopiskt upplösbar volym på mindre än en sekund, säger Wolf och co.
Magnetometrar används i ett brett spektrum av tillämpningar, allt från mineralutforskning och arkeologi till positionering av vapensystem och hjärtslagsmätare. Så en robust, mycket känslig solid state-enhet som fungerar vid rumstemperatur kommer sannolikt att komma väl till pass. Zeeman skulle ha blivit imponerad.
Ref: arxiv.org/abs/1411.6553 : En Subpicotesla Diamond Magnetometer