Uma nova maneira de detectar campos magnéticos simultaneamente em várias direções

• Uma nova ferramenta usa o defeito do centro de vacância de nitrogênio no diamante para detectar simultaneamente campos magnéticos em diferentes direções.
• Ele cria uma imagem 3D de campos magnéticos em tempo real.
• A tecnologia pode ser utilizada em vários campos, incluindo a física da matéria condensada e a biologia.

A detecção em tempo real de um campo magnético de vetor dinâmico é necessária em várias aplicações de magnetometria, como navegação magnética, detecção e imagem de campo biomagnético e detecção de anomalia magnética.

Os magnetômetros escalares são capazes de medir apenas a magnitude do campo magnético, enquanto os magnetômetros de projeção vetorial podem medir a projeção do campo magnético ao longo de um eixo específico. 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 atividade. Para fazer isso, a ferramenta usa um dos vários defeitos pontuais no diamante, chamados centros de vacância de nitrogênio (NV). É capaz de detectar campos magnéticos em diferentes direções simultaneamente.

Como funciona?

Os pesquisadores submeteram um pequeno wafer de diamante de 4 milímetros quadrados a 4 sinais de microondas diferentes. Cada sinal foi configurado para medir uma orientação NV particular e pontilhado (ruído branco adicionado para diminuir a distorção de sinais de baixa amplitude) de acordo com o padrão de modulação de frequência especial. Isso permitiu que eles analisassem como a orientação individual de NV se comportava em diferentes direções do campo magnético.

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

A técnica antiga não funciona para processos rápidos como campos biomagnéticos gerados por neurônios em disparo. Não seria capaz de capturar todas as informações, 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 conforme o campo magnético está flutuando. A nova ferramenta pode processar esses dados mais rápido do que os coleta, permitindo aos pesquisadores observar 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 baseado em uma pesquisa anterior que usou centros de vacância de nitrogênio de diamante para identificar sinais neurais em vermes marinhos. Foi apenas uma prova de princípio. Um sistema neurocientífico eficaz deve ser compatível com neurônios de mamíferos, mas como neurônios disparadores geram campos magnéticos que estão alinhados em várias direções, tornar tais sistemas é bastante difícil. No entanto, a ferramenta recém-desenvolvida lida com todos esses problemas de sensoriamento magnético de neurônios.

Por que eles usaram centros de vacância de nitrogênio?

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

Cortesia de pesquisadores

Nesse experimento, os pesquisadores colocaram um wafer de diamante em um campo magnético (produzido em laboratório) e projetaram uma luz laser sobre ele, fazendo com que o mineral brilhasse. Quando os centros de NV reagiram às alterações do campo magnético e ao padrão de modulação de frequência exclusivo, o brilho do centro de 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.

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