麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種測量原子級磁場的新方法，不僅可以上下也可以側(cè)向測量。這種新工具可用于多種應(yīng)用，例如將電脈沖映射到激發(fā)神經(jīng)元內(nèi)，表征新的磁性材料，以及探測奇異的量子物理現(xiàn)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)開發(fā)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(jié)構(gòu)中留下缺失的鍵，電子對環(huán)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(yīng)用，例如通過測量每個發(fā)射脈沖的確切方向來繪制神經(jīng)元之間的連接，測量磁場的側(cè)向分量也是有用的。
本質(zhì)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(cè)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(cè)向分量引起一種擺動，其表現(xiàn)為與傳感器對準(zhǔn)的場的周期性波動，從而將該垂直分量轉(zhuǎn)換成疊加在初級靜態(tài)磁場測量上的波形圖案。然后可以在數(shù)學(xué)上將其轉(zhuǎn)換回來以確定側(cè)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(jié)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(dāng)暴露在綠光下時，它們會發(fā)出紅光或熒光，其強(qiáng)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(dāng)于普通計算中使用的位。
“我們可以通過熒光來判斷旋轉(zhuǎn)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'狀態(tài)，如果它是明亮的，那就是'零'狀態(tài)，”她說。“如果熒光是介于兩者之間的某個數(shù)字，則自旋狀態(tài)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(qiáng)度。一些現(xiàn)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(qiáng)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(tǒng)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(wěn)定的亮度水平表示，而通過敲擊磁場離軸引入的擺動表現(xiàn)為該亮度的規(guī)則的波狀變化，然后可以精確地測量。
劉說，這項技術(shù)的一個有趣應(yīng)用是將鉆石NV中心與神經(jīng)元接觸。當(dāng)小區(qū)發(fā)射其動作電位以觸發(fā)另一個小區(qū)時，系統(tǒng)不僅應(yīng)該能夠檢測其信號的強(qiáng)度，還應(yīng)該能夠檢測其方向，從而有助于繪制連接并查看哪些小區(qū)正在觸發(fā)哪些其他小區(qū)。同樣，在測試可能適用于數(shù)據(jù)存儲或其他應(yīng)用的新磁性材料時，新系統(tǒng)應(yīng)能夠詳細(xì)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(tǒng)不同，這種新的磁傳感器系統(tǒng)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(shù)已經(jīng)可用。“你現(xiàn)在可以做到，但你需要先花一些時間來校準(zhǔn)系統(tǒng)，”劉說。
目前，該系統(tǒng)僅提供磁場的總垂直分量的測量，而不是其精確定向。“現(xiàn)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(tài)磁場作為參考點(diǎn)來添加第三維分量。“只要我們能夠校準(zhǔn)那個參考場，”她說，有可能得到關(guān)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(diǎn)。”
以色列威茲曼研究所化學(xué)物理高級科學(xué)家阿米特芬克勒沒有參與這項工作，他說：“這是一項高質(zhì)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(dāng)，這對于實(shí)際應(yīng)用來說是令人印象深刻和令人鼓舞的。“
芬克勒補(bǔ)充道，“正如作者謙卑地寫在手稿中，這確實(shí)是向量納米級磁力測定的第一步。還有待觀察他們的技術(shù)是否確實(shí)可以應(yīng)用于實(shí)際樣本，例如分子或凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)。“但是，他說，”最重要的是，作為這種技術(shù)的潛在用戶/實(shí)施者，我印象非常深刻而且鼓勵在我的實(shí)驗設(shè)置中采用和應(yīng)用這個方案。“