Новый квантовый метод измеряет мельчайшие магнитные поля

Исследователи из Массачусетского технологического института разработали новый способ измерения магнитных полей атомного масштаба с большой точностью, не только вверх и вниз, но и в стороны. Новый инструмент может быть полезен в таких разнообразных приложениях, как отображение электрических импульсов внутри возбуждающего нейрона, определение характеристик новых магнитных материалов и исследование экзотических квантово-физических явлений.

Этот метод основан на платформе, уже разработанной для измерения магнитных полей с высокой точностью, с использованием крошечных дефектов в алмазе, называемых центрами азотных вакансий (NV).

Эти дефекты состоят из двух смежных мест в упорядоченной решетке атомов углерода в алмазе, где атомы углерода отсутствуют; один из них заменяется атомом азота, а другой остается пустым. Это оставляет недостающие связи в структуре с электронами, которые чрезвычайно чувствительны к крошечным изменениям в их среде, будь то электрические, магнитные или на основе света.

Предыдущие применения одиночных NV-центров для обнаружения магнитных полей были чрезвычайно точными, но они могли измерять эти изменения только по одному измерению, выровненному по оси датчика. Но для некоторых приложений, таких как отображение связей между нейронами путем измерения точного направления каждого импульса, было бы полезно также измерять боковую составляющую магнитного поля.

По сути, новый метод решает эту проблему с помощью вторичного генератора, обеспечиваемого ядерным спином атома азота. Боковая составляющая измеряемого поля смещает ориентацию вторичного генератора.

Слегка отклоняя его от оси, боковой компонент вызывает колебание, которое проявляется в виде периодического колебания поля, совмещенного с датчиком, превращая этот перпендикулярный компонент в волновую картину, наложенную на первичное измерение статического магнитного поля. Затем это можно математически преобразовать обратно, чтобы определить величину поперечного компонента.

Этот метод обеспечивает такую ​​же точность во втором измерении, как и в первом, поясняют ученые, при этом все еще используя один датчик, сохраняя тем самым его наноразмерное пространственное разрешение.

Чтобы прочитать результаты, исследователи используют оптический конфокальный микроскоп, который использует особое свойство NV-центров: при воздействии зеленого света они испускают красное свечение или флуоресценцию, интенсивность которой зависит от их точного состояния вращения. Эти NV-центры могут функционировать как кубиты, квантово-вычислительный эквивалент битов, используемых в обычных вычислениях.

По словам ученых, интересным применением этого метода было бы приведение алмазных NV-центров в контакт с нейроном. Когда ячейка запускает свой потенциал действия для запуска другой ячейки, система должна быть способна обнаруживать не только интенсивность своего сигнала, но также и его направление, таким образом помогая наметить соединения и посмотреть, какие ячейки запускают, какие другие.

Аналогичным образом, при испытании новых магнитных материалов, которые могут быть пригодны для хранения данных или других применений, новая система должна позволять детальное измерение величины и ориентации магнитных полей в материале.

Yi-Xiang Liu et al, Nanoscale Vector dc Magnetometry via Ancilla-Assisted Frequency Up-Conversion, Physical Review Letters (2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.100501 , dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.100501