211service.com
Diamantmagnetometer slår følsomhedsrekorder
Tilbage i 1896 blev en ung fysiker ved navn Pieter Zeeman fyret for at have udført et eksperiment mod hans laboratorievejleders specifikke ønsker. På trods af konsekvenserne førte eksperimentet til en bemærkelsesværdig opdagelse, der ændrede Zeemans liv.
Eksperimentet involverede måling af det lys, der udsendes af elementer placeret i et kraftigt magnetfelt. Da han gjorde dette, opdagede Zeeman, at spektrallinjerne blev delt af feltet. I 1902 blev han tildelt Nobelprisen i fysik for denne opdagelse, som nu er kendt som Zeeman-effekten.
Det er især nyttigt til måling af magnetiske felter på afstand. For eksempel bruger astrofysikere det til at kortlægge variationer i magnetfeltet på solen. Men det kan også bruges til at måle felter i meget mindre skala. I teorien kunne effekten bruges til at observere et magnetfelts indflydelse på et enkelt atom.
Selvom de ikke er nået så langt, er Thomas Wolf ved universitetet i Stuttgart i Tyskland og et par venner kommet ret tæt på. Disse fyre har brugt spektrene fra nitrogenatomer indlejret i diamant til at bygge det måske mest følsomme magnetometer, der nogensinde er lavet. De siger, at deres nye enhed snart kan være i stand til at måle det magnetiske felt, der er forbundet med protoner.
Først lidt baggrund om magnetometre. I de senere år har fysikere lavet stadig mere følsomme magnetometre ved hjælp af en række forskellige teknikker. Et problem, de alle støder på, er, at magnetiske felter henfalder meget hurtigt med afstand, som 1/r^3.
Det betyder, at størrelsen af sensoren har en vigtig indflydelse på, hvad den kan detektere, da magnetfeltet kan ændre sig betydeligt i hele sensorens volumen. Så en vigtig opgave er at gøre magnetometre så små som muligt.
Det er her diamant kommer ind. Diamant er en tredimensionel krystal lavet af kulstof. Men når et carbonatom i strukturen erstattes med nitrogen, producerer dette en yderligere ubundet elektron.
Når denne elektron exciteres med laserlys, fluorescerer den derefter med en frekvens, der afhænger af dens omgivelser. Især et magnetfelt kan ændre denne frekvens via Zeeman-effekten, hvilket gør nitrogendefekter i diamant til en lovende type magnetometer.
Selvfølgelig er det en vanskelig forretning at adressere et enkelt atom i en sådan struktur og registrere dets fluorescens nøjagtigt. Så Wolf og co bruger et helt ensemble af nitrogendefekter i en diamantvolumen, der kun fylder en brøkdel af en kubikmillimeter. De vurderer, at dette indeholder flere milliarder nitrogenatomer.
Selvom et center af denne størrelse er mange størrelsesordener større end et individuelt atom, producerer det et fluorescerende signal, der er meget lettere at måle. Det gør enheden praktisk. Selv i denne størrelse er magnetometret et af de mindste, der nogensinde er lavet.
For at finde ud af, hvor følsomt, satte Wolf og co enheden igennem sine trin, og forsigtigt eliminerede støj ved hvert trin. Resultaterne er imponerende. Holdet målte til sidst en feltstyrke på kun 100 femtoTesla. Det kan sammenlignes med de mest følsomme magnetometre på planeten. Og de mener, at de kan gøre det endnu bedre med relativt enkle forbedringer, der burde øge følsomheden med to størrelsesordener.
Men her er sagen: Det unikke ved denne enhed er, at den både er lille og sensitiv, en kombination, der aldrig er blevet opnået før. Det gør denne enhed til en slags rekordbryder. Den kan måle magnetfeltstyrker i små mængder, som aldrig har været tilgængelige før. Med andre ord åbner det op for detektion af magnetisk feltstyrke i en helt ny skala ved hjælp af en solid state-enhed, der fungerer ved stuetemperatur.
Et mål på dette område er at måle de magnetiske felter af protoner i vand. Følsomheden af denne enhed ser ud til at gøre dette muligt. Denne værdi i sig selv giver mulighed for påvisning af protonspin i et mikroskopisk opløseligt volumen på mindre end et sekund, siger Wolf og co.
Magnetometre bruges i en bred vifte af applikationer, lige fra mineraludforskning og arkæologi til positionering af våbensystemer og hjerteslagsmålere. Så en robust, meget følsom solid-state enhed, der fungerer ved stuetemperatur, vil sandsynligvis komme til nytte. Zeeman ville have været imponeret.
Ref: arxiv.org/abs/1411.6553 : Et Subpicotesla diamantmagnetometer