Mapeamento 3D de Campo Magnético em Tempo Real Usando Centros NV em Diamante

Visão Geral

• Uma nova ferramenta usa o defeito de centro de Nitrogênio-Vacância (NV) no diamante para detectar simultaneamente campos magnéticos em diferentes direções.
• Ela cria uma imagem 3D de campos magnéticos em tempo real.
• A tecnologia pode ser utilizada em vários campos, incluindo física da matéria condensada e biologia.

A detecção em tempo real de um campo magnético vetorial dinâmico é necessária em numerosas aplicações de magnetometria, como navegação magnética, detecção e imagem de campos biomagnéticos, e detecção de anomalias magnéticas.

Magnetômetros escalares são capazes de medir apenas a magnitude do campo magnético, enquanto magnetômetros de projeção vetorial podem medir a projeção do campo magnético ao longo de um eixo particular. Mas e se você quiser medir campos magnéticos em diferentes direções ao mesmo tempo?

Recentemente, pesquisadores da Universidade de Harvard desenvolveram uma ferramenta que pode detectar campos magnéticos em quase tudo, desde sistemas de matéria condensada até neurônios em disparo. Para fazer isso, a ferramenta usa um dos vários defeitos pontuais no diamante chamados centros de Nitrogênio-Vacância (NV). Ela é capaz de detectar campos magnéticos em diferentes direções simultaneamente.

Como Funciona?

Os pesquisadores submeteram uma pequena pastilha de diamante de 4 milímetros quadrados a 4 sinais de micro-ondas diferentes. Cada sinal foi configurado para medir uma orientação NV particular e modulado (adicionado ruído branco para diminuir a distorção de sinais de baixa amplitude) conforme um padrão especial de modulação de frequência. Isso permitiu analisar como cada orientação NV individual se comportava em diferentes direções de campo magnético.

Até agora, este tem sido um processo tedioso e demorado de transição regular entre frequências de micro-ondas para observar a resposta de uma única orientação NV por vez. A nova ferramenta representa melhorias significativas sobre metodologias anteriores.

A técnica antiga não funciona para processos rápidos como campos biomagnéticos gerados por neurônios em disparo. Ela não seria capaz de capturar toda a informação, mas a nova técnica pode medir campos magnéticos em várias direções ao mesmo tempo.

Neste estudo, os pesquisadores coletaram um fluxo contínuo de dados do diamante enquanto o campo magnético flutuava. A nova ferramenta pode processar esses dados mais rápido do que os coleta, permitindo que os pesquisadores observem a amplitude e a direção de um campo magnético em tempo real.

Referência: APSPhysics | doi:10.1103/PhysRevApplied.10.034044 | The Harvard Gazette

O sistema é construído sobre uma pesquisa anterior que usou centros NV de diamante para identificar sinais neurais em vermes marinhos. Era apenas uma prova de princípio. Um sistema de neurociência eficaz deve ser compatível com neurônios de mamíferos, mas como neurônios em disparo geram campos magnéticos alinhados em várias direções, tornar tais sistemas é bastante difícil. No entanto, a ferramenta recém-desenvolvida lida com todas essas questões de detecção magnética de neurônios.

Por Que Usaram Centros de Nitrogênio-Vacância?

Para esta tarefa, os centros NV são organizados perfeitamente na rede de diamante. Cada centro NV é criado substituindo um átomo de carbono por um átomo de nitrogênio e uma vacância adjacente. Como cada átomo está ligado a 4 outros átomos, existem 4 orientações NV possíveis, cada uma sensível a campos magnéticos orientados nessa direção. Assim, pode-se usar 4 tipos de centros NV para determinar a direção do campo magnético.

Neste experimento, os pesquisadores colocaram uma pastilha de diamante em um campo magnético (produzido no laboratório) e projetaram uma luz laser sobre ela, fazendo o mineral brilhar. Quando os centros NV reagiram a alterações no campo magnético e ao padrão único de modulação de frequência, o brilho do centro NV mudou significativamente.

Os pesquisadores rastrearam as mudanças no brilho e criaram uma imagem 3D do campo magnético. Agora é possível observar todas as 4 orientações NV simultaneamente e determinar o campo magnético em tempo real. É como ouvir 4 canais de rádio diferentes ao mesmo tempo e todos fazem sentido juntos.

Embora seja uma pequena melhoria do que outros cientistas estão fazendo, os autores acreditam que sua tecnologia pode ser utilizada em vários campos, incluindo física da matéria condensada e biologia.